DE102019210019B4 - Optical apparatus for laser welding a workpiece, method for laser welding a workpiece by means of several partial beams and the use of optical apparatus for laser welding - Google Patents

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Abstract

Optische Apparatur (1) zum Laserschweißen eines Werkstücks (2), umfassend- eine Laserstrahlquelle (3) zum Bereitstellen eines Laserstrahls (4),- eine Kollimationsoptik (16) zum Kollimieren des bereitgestellten Laserstrahls (4) der Laserstrahlquelle (3),- eine Strahlteiler-Einrichtung (19) zum Aufteilen des kollimierten Laserstrahls (18) auf mehrere Teilstrahlen (20a-20c), wobei die Strahlteiler-Einrichtung (19) eine erste Einstellvorrichtung (26) aufweist, mit der die Aufteilung des kollimierten Laserstrahls (18) auf die mehreren Teilstrahlen (20a-20c) variabel einstellbar ist, und- eine Fokussierungsoptik (23) zum Fokussieren der Teilstrahlen (20a-20c) auf das zu schweißende Werkstück (2), dadurch gekennzeichnet,dass die Laserstrahlquelle (3) eine Multiclad-Faser (8) mit einer Kernfaser (9) und zumindest einer Ringfaser (10) und eine zweite Einstellvorrichtung (27) umfasst, wobei mit der zweiten Einstellvorrichtung (27) ein Eingangslaserstrahl (6) an einem ersten Faserende (7) der Multiclad-Faser (8) auf die Kernfaser (9) und die zumindest eine Ringfaser (10) variabel aufteilbar ist, und wobei ein zweites Faserende (15) der Multiclad-Faser (8) den Laserstrahl (4) für die Kollimationsoptik (16) bereitstellt,und dass die Strahlteiler-Einrichtung (19) dazu ausgebildet ist, den kollimierten Laserstrahl (18) auf wenigstens zwei bezüglich einer vorgesehenen Schweißrichtung (SR) vorauslaufende Teilstrahlen (20b, 20c) und einen nachlaufenden Teilstrahl (20a) aufzuteilen, wobei die vorauslaufenden Teilstrahlen (20b, 20c) quer zur vorgesehenen Schweißrichtung (SR) aufgereiht sind,und wobei mit der ersten Einstellvorrichtung (26) eine Einstellung der Energieverteilung zwischen den wenigstens zwei vorauslaufenden Teilstrahlen (20b, 20c) einerseits und dem nachlaufenden Teilstrahl (20a) andererseits erfolgen kann.Optical apparatus (1) for laser welding a workpiece (2), comprising - a laser beam source (3) for providing a laser beam (4), - collimation optics (16) for collimating the laser beam (4) provided by the laser beam source (3), - a Beam splitter device (19) for splitting the collimated laser beam (18) into several partial beams (20a-20c), the beam splitter device (19) having a first setting device (26) with which the collimated laser beam (18) is split the multiple partial beams (20a-20c) is variably adjustable, and - a focusing optics (23) for focusing the partial beams (20a-20c) on the workpiece (2) to be welded, characterized in that the laser beam source (3) is a multiclad fiber (8) with a core fiber (9) and at least one ring fiber (10) and a second adjusting device (27), wherein with the second adjusting device (27) an input laser beam (6) at a first fiber end (7) of the Mul ticlad fiber (8) can be variably divided between the core fiber (9) and the at least one ring fiber (10), and a second fiber end (15) of the multiclad fiber (8) carries the laser beam (4) for the collimation optics (16) and that the beam splitter device (19) is designed to split the collimated laser beam (18) into at least two partial beams (20b, 20c) leading with respect to a specified welding direction (SR) and a trailing partial beam (20a), the leading partial beams Partial beams (20b, 20c) are lined up transversely to the intended welding direction (SR), and the energy distribution between the at least two leading partial beams (20b, 20c) on the one hand and the trailing partial beam (20a) on the other hand being carried out with the first setting device (26) can.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Apparatur zum Laserschweißen eines Werkstücks, umfassend

  • - eine Laserstrahlquelle zum Bereitstellen eines Laserstrahls,
  • - eine Kollimationsoptik zum Kollimieren des bereitgestellten Laserstrahls der Laserstrahlquelle,
  • - eine Strahlteiler-Einrichtung zum Aufteilen des kollimierten Laserstrahls auf mehrere Teilstrahlen, wobei die Strahlteiler-Einrichtung eine erste Einstellvorrichtung aufweist, mit der die Aufteilung des kollimierten Laserstrahls auf die mehreren Teilstrahlen variabel einstellbar ist, und
  • - eine Fokussierungsoptik zum Fokussieren der Teilstrahlen auf das zu schweißende Werkstück.
The invention relates to an optical apparatus for laser welding a workpiece, comprising
  • - a laser beam source for providing a laser beam,
  • - a collimation optics for collimating the provided laser beam of the laser beam source,
  • a beam splitter device for splitting the collimated laser beam into several partial beams, the beam splitter device having a first setting device with which the splitting of the collimated laser beam between the several partial beams can be variably adjusted, and
  • - A focusing optics for focusing the partial beams on the workpiece to be welded.

Eine solche optische Apparatur ist aus der DE 102 61 422 A1 bekannt geworden.Such an optical apparatus is from the DE 102 61 422 A1 known.

Mittels Laserschweißen (auch genannt Laserstrahlschweißen) können Werkstücke mit vergleichsweise hoher Schweißgeschwindigkeit (Vorschubgeschwindigkeit) und geringem thermischen Verzug gefertigt werden.Using laser welding (also called laser beam welding), workpieces can be manufactured with a comparatively high welding speed (feed speed) and low thermal distortion.

Beim Laserschweißen sollte auch eine gute Qualität der Schweißnaht sichergestellt werden. Während des Schweißprozesses kann es zu einer unerwünschten Spritzerbildung an der Schweißnaht kommen; ebenso kann die erzeugte Schweißnaht eine unerwünschte Welligkeit („Humping“) oder unerwünschte Randkerben aufweisen, und insgesamt nicht die gewünschte mechanische Festigkeit erreichen. Dadurch wird in der Regel die Produktivität (Schweißgeschwindigkeit) beim Laserschweißen begrenzt.When laser welding, the quality of the weld seam should also be ensured. During the welding process, undesirable spatter can form on the weld seam; Likewise, the weld seam produced can have undesirable waviness (“humping”) or undesirable edge notches and overall not achieve the desired mechanical strength. This usually limits the productivity (welding speed) during laser welding.

Aus der DE 102 61 422 A1 ist es bekannt geworden, einen Laserstrahl für das Laserschweißen auf zwei Teilstrahlen aufzuteilen, wobei einer der Teilstrahlen dem anderen Teilstrahl bezüglich der Schweißrichtung vorauseilt. Dabei wird ein Laserstrahl kollimiert und mittels eines quer zur Strahlrichtung verschiebbaren Prismas aufgeteilt. Einer der Teilstrahlen passiert eine Spotvariationslinse, und beide Teilstrahlen passieren eine Fokussierlinse. Dadurch sollen Schweißungen mit verbesserter Qualität erreicht werden.From the DE 102 61 422 A1 it has become known to split a laser beam for laser welding into two partial beams, one of the partial beams leading the other partial beam with respect to the welding direction. A laser beam is collimated and divided by means of a prism that can be moved transversely to the direction of the beam. One of the partial beams passes through a spot variation lens, and both partial beams pass through a focusing lens. This is intended to achieve welds of improved quality.

Das Aufteilen eines Laserstrahls auf mehrere Teilstrahlen beim Laserschweißen ist beispielsweise auch aus der der DE 10 2015 112 537 A1 , der WO 2018/099851 A1 , der der DE 10 2016 105 214 A1 , der DE 10 2017 208 979 A1 oder der US 2018/0185960 A1 bekannt geworden.The splitting of a laser beam into several partial beams during laser welding is, for example, also based on the DE 10 2015 112 537 A1 , the WO 2018/099851 A1 who the DE 10 2016 105 214 A1 , the DE 10 2017 208 979 A1 or the US 2018/0185960 A1 known.

Aus der DE 10 2010 003 750 A1 ist es bekannt geworden, die Strahlprofilcharakteristik eines Laserstrahls mit einer Multiclad-Faser einzustellen. Dabei kann insbesondere ein ursprünglicher Laserstrahl mit einem ersten Anteil in eine Kernfaser und mit einem zweiten Anteil in eine die Kernfaser umgebende Ringfaser eingekoppelt werden.From the DE 10 2010 003 750 A1 it has become known to adjust the beam profile characteristics of a laser beam with a multiclad fiber. In particular, an original laser beam can be coupled with a first component into a core fiber and with a second component into a ring fiber surrounding the core fiber.

Multiclad-Fasern sind beispielsweise auch aus der US 2002/0172485 A1 oder der US 2006/0263024 A1 bekannt geworden.Multiclad fibers, for example, are also from the US 2002/0172485 A1 or the US 2006/0263024 A1 known.

Die WO 2016/205805 A1 beschreibt Systeme zum Laserschweißen, bei denen mehrere Laserfasern für mehrere Laserstrahlen eingesetzt werden können, und wobei diffraktive optische Elemente zur Strahlformung vorgeschlagen werden.The WO 2016/205805 A1 describes systems for laser welding in which several laser fibers can be used for several laser beams, and where diffractive optical elements are proposed for beam shaping.

Wird das Laserschweißen als Durchschweißung betrieben, so dass das Material des zu schweißenden Werkstücks bis zur Unterseite des Werkstücks, die der Einstrahlseite des Laserstrahls gegenüber liegt, aufschmilzt, so muss eine gute Qualität der Schweißnaht sowohl bezüglich der Oberseite als auch der Unterseite des Werkstücks erreicht werden, etwa bezüglich Spritzerbildung oder Welligkeit.If the laser welding is carried out as a through-weld, so that the material of the workpiece to be welded melts down to the underside of the workpiece, which is opposite the incident side of the laser beam, a good quality of the weld seam must be achieved with regard to both the upper side and the underside of the workpiece , for example with regard to spattering or waviness.

Die nachveröffentlichte DE 10 2018 219 280 A1 beschreibt ein Verfahren zum spritzerfreien Gießen, insbesondere mit einem Festkörperlaser, wobei insbesondere eine erste Strahlfläche einer zweiten Strahlfläche vorausläuft, die erste Strahlfläche bezüglich des Flächeninhalts größer und quer zur Vorschubrichtung länger ist als die zweite Strahlfläche, und eine zur ersten Strahlfläche gehörende Laserleistung größer ist als eine zur zweiten Strahlfläche gehörende Laserleistung. Die erste Strahlfläche kann auf zwei Teilstrahlflächen aufgeteilt sein.The post-published DE 10 2018 219 280 A1 describes a method for spatter-free casting, in particular with a solid-state laser, wherein in particular a first beam surface precedes a second beam surface, the first beam surface is larger than the second beam surface in terms of surface area and longer than the second beam surface, and a laser power belonging to the first beam surface is greater than a laser power belonging to the second beam area. The first beam surface can be divided into two partial beam surfaces.

Aus der WO 2019 / 130 043 A1 beschreibt ein Verfahren zum stumpfen Verschweißen von zwei Metallblechen, wobei zwei kleinere Laserspots jeweils in einem der Metallbleche einem größeren Laserspot vorauslaufen, wobei stets festes oder flüssiges Material zwischen den zugehörigen Dampfkapillaren verbleibt.WO 2019/130 043 A1 describes a method for butt welding two metal sheets, with two smaller laser spots each running in front of a larger laser spot in one of the metal sheets, with solid or liquid material always remaining between the associated vapor capillaries.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gute Qualität von Schweißnähten bei höherer Vorschubgeschwindigkeit zu ermöglichen, insbesondere für ein Laserschweißen in Durchschweißung.It is the object of the invention to enable a good quality of weld seams at a higher feed rate, in particular for laser welding in penetration.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine optische Apparatur der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist,
dass die Laserstrahlquelle eine Multiclad-Faser mit einer Kernfaser und zumindest einer Ringfaser und eine zweite Einstellvorrichtung umfasst, wobei mit der zweiten Einstellvorrichtung ein Eingangslaserstrahl an einem ersten Faserende der Multiclad-Faser auf die Kernfaser und die zumindest eine Ringfaser variabel aufteilbar ist, und wobei ein zweites Faserende der Multiclad-Faser den Laserstrahl für die Kollimationsoptik bereitstellt,
und dass die Strahlteiler-Einrichtung dazu ausgebildet ist, den kollimierten Laserstrahl auf wenigstens zwei bezüglich einer vorgesehenen Schweißrichtung vorauslaufende Teilstrahlen und einen nachlaufenden Teilstrahl aufzuteilen, wobei die vorauslaufenden Teilstrahlen quer zur vorgesehenen Schweißrichtung aufgereiht sind,
und wobei mit der ersten Einstellvorrichtung eine Einstellung der Energieverteilung zwischen den wenigstens zwei vorauslaufenden Teilstrahlen einerseits und dem nachlaufenden Teilstrahl andererseits erfolgen kann.
This object is achieved according to the invention by an optical apparatus of the type mentioned at the outset, which is characterized in that
that the laser beam source comprises a multiclad fiber with a core fiber and at least one ring fiber and a second setting device, wherein with the second setting device an input laser beam at a first fiber end of the multiclad fiber can be variably divided between the core fiber and the at least one ring fiber, and wherein a the second fiber end of the multiclad fiber provides the laser beam for the collimation optics,
and that the beam splitter device is designed to split the collimated laser beam into at least two partial beams leading with respect to a intended welding direction and a trailing partial beam, the leading partial beams being lined up transversely to the intended welding direction,
and wherein the energy distribution between the at least two leading partial beams on the one hand and the trailing partial beam on the other hand can be adjusted with the first adjusting device.

Gemäß der Erfindung kann das Laserschweißen mit (wenigstens) zwei vorauslaufenden (vorderen) Teilstrahlen und einem nachlaufenden (hinteren) Teilstrahl betrieben werden. Dabei kann die Energieverteilung zwischen den vorauslaufenden Teilstrahlen und dem nachlaufenden Teilstrahl mit der ersten Einstellvorrichtung gezielt eingestellt werden. Durch den Einsatz der Multiclad-Faser kann ein Strahlprofil am zu schweißenden Werkstück mit einer Kernzone (aus der Kernfaser) und wenigstens einer Ringzone (aus der wenigstens einen Ringfaser) für die jeweiligen Teilstrahlen erhalten werden. Mittels der zweiten Einstellvorrichtung kann die Energieverteilung zwischen der Kernzone und der Ringzone gezielt eingestellt werden. Durch diese Freiheitsgrade ist es möglich, den Laserschweißprozess zu optimieren, insbesondere für ein Laserschweißen in Durchschweißung des Werkstücks bzw. der zu verbindenden Werkstückteile. According to the invention, laser welding can be operated with (at least) two leading (front) partial beams and one trailing (rear) partial beam. The energy distribution between the leading partial beams and the trailing partial beam can be set in a targeted manner with the first setting device. By using the multiclad fiber, a beam profile can be obtained on the workpiece to be welded with a core zone (from the core fiber) and at least one ring zone (from the at least one ring fiber) for the respective partial beams. The energy distribution between the core zone and the ring zone can be adjusted in a targeted manner by means of the second adjustment device. These degrees of freedom make it possible to optimize the laser welding process, in particular for laser welding in which the workpiece or the workpiece parts to be connected are welded through.

Im Rahmen der Erfindung wird lediglich ein Laser benötigt, der den Eingangslaserstrahl erzeugt, was baulich besonders einfach ist. Mit der optischen Apparatur können mittels der Strahlteiler-Einrichtung (wenigstens) drei Kopien des durch die Multiclad-Faser profilierten Laserstrahls erhalten werden.In the context of the invention, only one laser is required which generates the input laser beam, which is particularly simple structurally. With the optical apparatus, by means of the beam splitter device, (at least) three copies of the laser beam profiled by the multiclad fiber can be obtained.

Im Rahmen der Erfindung kann mit den vorauslaufenden Teilstrahlen eine Einschweißung an der Oberseite des Werkstücks betrieben werden. Durch das an den vorderen Teilstrahlen mittels der Multiclad-Faser jeweils eingerichtete Strahlprofil kann dabei eine besonders gute Qualität an der Nahtoberseite erreicht werden. Insbesondere kann die Laserleistung der vorauslaufenden Teilstrahlen durch deren Aufreihung quer zur Vorschubrichtung (Schweißrichtung) und das Strahlprofil über eine vergleichsweise große Fläche bzw. Breite verteilt werden. Mit dem nachlaufenden Teilstrahl kann die Durchschweißung betrieben werden. Durch die Vorbereitung des Werkstücks mittels der vorauslaufenden Teilstrahlen kann dabei eine gute Nahtqualität auch an der Unterseite des Werkstücks erhalten werden.In the context of the invention, the leading partial beams can be used to weld on the upper side of the workpiece. Due to the beam profile set up on the front partial beams by means of the multiclad fiber, particularly good quality can be achieved on the upper side of the seam. In particular, the laser power of the leading partial beams can be distributed across a comparatively large area or width by lining them up transversely to the feed direction (welding direction) and the beam profile. The penetration can be operated with the trailing partial jet. By preparing the workpiece by means of the preceding partial beams, a good seam quality can also be obtained on the underside of the workpiece.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann, verglichen mit einem Laserschweißen mit einem einfachen vorauslaufenden Teilstrahl und ohne Einrichtung des erfindungsgemäßen Strahlprofils, eine höhere Vorschubgeschwindigkeit erreicht werden, ohne dass ein relevantes Humping oder eine relevante Kerbenbildung (insbesondere an der Nahtoberseite, aber auch an der Unterseite) und ohne dass eine relevante Spritzerbildung (insbesondere an der Nahtunterseite, aber auch an der Oberseite) auftritt.In the context of the present invention, compared to laser welding with a simple leading partial beam and without setting up the beam profile according to the invention, a higher feed rate can be achieved without relevant humping or relevant notch formation (in particular on the upper side of the seam, but also on the underside) and without any relevant spatter formation (especially on the underside of the seam, but also on the upper side).

Typischerweise ist die Multiclad-Faser als 2in1-Faser ausgebildet, also mit Kernfaser und genau einer Ringfaser. Weiterhin erfolgt die Aufteilung des kollimierten Laserstrahls typischerweise auf genau zwei vorauslaufende Teilstrahlen und einen nachlaufenden Teilstrahl.The multiclad fiber is typically designed as a 2in1 fiber, i.e. with a core fiber and exactly one ring fiber. Furthermore, the collimated laser beam is typically split into exactly two leading partial beams and one trailing partial beam.

Die zweite Einstellvorrichtung kann beispielsweise den Eingangslaserstrahl relativ zum ersten Faserende quer zur Strahlausbreitungsrichtung verschieben, oder auch eine Fokussierung des Eingangsstrahls so verändern, dass sich die Weite des Eingangsstrahls am ersten Faserende verändert, vgl. hierzu die DE 10 2010 003 750 A1 .The second adjustment device can, for example, shift the input laser beam relative to the first fiber end transversely to the direction of beam propagation, or also change the focusing of the input beam so that the width of the input beam at the first fiber end changes, cf. DE 10 2010 003 750 A1 .

Der Eingangslaserstrahl wird bevorzugt durch einen Festkörperlaser erzeugt.The input laser beam is preferably generated by a solid-state laser.

Bevorzugte AusführungsformenPreferred Embodiments

Bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen optische Apparatur, die vorsieht, dass die Strahlteiler-Einrichtung für jeden Teilstrahl eine Ablenkungszone ausbildet, und dass mit der ersten Einstellvorrichtung die Strahlteiler-Einrichtung in wenigstens einer Einstellrichtung quer zu einer Strahlausbreitungsrichtung des kollimierten Laserstrahls verfahrbar ist, wobei die Energieverteilung zwischen den Teilstrahlen über den Überlapp des kollimierten Laserstrahls mit den jeweiligen Ablenkungszonen eingestellt werden kann. Solche Strahlteiler-Einrichtungen sind baulich einfach und auch einfach in der Handhabung. Die Ablenkungszonen lenken jeweils eine Teilfläche des Querschnitts des kollimierten Laserstrahls in eine andere Richtung ab als die übrigen Ablenkungszonen (entsprechend kann eine Ablenkungszone den kollimierten Laserstrahl unabgelenkt passieren lassen).An embodiment of the optical apparatus according to the invention is preferred which provides that the beam splitter device forms a deflection zone for each partial beam, and that with the first adjustment device the beam splitter device can be moved in at least one adjustment direction transversely to a beam propagation direction of the collimated laser beam, the Energy distribution between the partial beams can be adjusted via the overlap of the collimated laser beam with the respective deflection zones. Such beam splitter devices are structurally simple and also easy to use. The deflection zones each deflect a partial area of the cross-section of the collimated laser beam in a different direction than the other deflection zones (correspondingly, one deflection zone can allow the collimated laser beam to pass undeflected).

Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass die Ablenkungszonen für die Teilstrahlen um ein gemeinsames Zentrum angeordnet sind,
insbesondere wobei eine Ablenkungszone für den nachlaufenden Teilstrahl ein Winkelintervall von 180° um das gemeinsame Zentrum einnimmt,
und zwei Ablenkungszonen für genau zwei vorauslaufende Teilstrahlen jeweils 90° um das gemeinsame Zentrum einnehmen, und die Einstellrichtung entlang einer Grenze der zwei Ablenkungszonen für die zwei vorauslaufenden Teilstrahlen verläuft. Mit dieser Bauform kann auf einfache Weise bezüglich der vorauslaufenden Teilstrahlen eine gleichmäßige Aufteilung auf zwei Teilstrahlen erfolgen, und gleichzeitig zwischen der Gesamtheit der vorauslaufenden Teilstrahlen einerseits und dem nachlaufenden Teilstrahl andererseits eine variable Energieaufteilung erfolgen. Der auf das gemeinsame Zentrum ausgerichtete kollimierte Laserstrahl erreicht eine Gleichverteilung der Energie auf die Gesamtheit der vorauslaufenden Teilstrahlen einerseits und den nachlaufenden Teilstrahl andererseits. Die Strahlteiler-Einrichtung kann relativ zum kollimierten Laserstrahl entlang der Einstrahlrichtung auf die Ablenkungszonen für die vorauslaufenden Teilstrahlen zu verfahren werden, um einen Energieanteil größer 50% für die vorauslaufenden Teilstrahlen zu erhalten, oder auf die Ablenkungszone für den nachlaufenden Teilstrahl zu verfahren werden, um einen Energieanteil größer 50% für den nachlaufenden Teilstrahl zu erhalten.
An advantageous further development of this embodiment provides that the deflection zones for the partial beams are arranged around a common center,
in particular where a deflection zone for the trailing partial beam occupies an angular interval of 180 ° around the common center,
and two deflection zones for exactly two leading partial beams each occupy 90 ° around the common center, and the adjustment direction runs along a border of the two deflection zones for the two leading partial beams. With this design, the leading partial beams can be evenly split into two partial beams in a simple manner, and at the same time a variable energy distribution occurs between the entirety of the leading partial beams on the one hand and the trailing partial beam on the other. The collimated laser beam aligned on the common center achieves a uniform distribution of the energy over the entirety of the leading partial beams on the one hand and the trailing partial beam on the other. The beam splitter device can be moved relative to the collimated laser beam along the direction of incidence onto the deflection zones for the leading partial beams in order to obtain an energy share greater than 50% for the leading partial beams, or it can be moved onto the deflection zone for the trailing partial beam in order to achieve a To obtain an energy share greater than 50% for the trailing partial beam.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Strahlteiler-Einrichtung mit einem refraktiven optischen Element ausgebildet ist, insbesondere wobei die Strahlteiler-Einrichtung eine Keilplatte ausbildet, die mehrere Ablenkungszonen aufweist, die gegenüber einer Strahlausbreitungsrichtung des kollimierten Laserstrahls eine Neigung ausbilden und die bezüglich der Strahlausbreitungsrichtung eine unterschiedliche Orientierung aufweisen. Eine solche Strahlteiler-Einrichtung ist einfach im Aufbau und intuitiv in der Handhabung. Man beachte, dass eine Ablenkungszone einer Keilplatte auch ohne Neigung zur Strahlausbreitungsrichtung ausgebildet sein kann, oder die Keilplatte einen Teil des Querschnitts des kollimierten Röntgenstrahls nicht abdeckt, um einen unabgelenkten Teilstrahl zu erzeugen.An embodiment is preferred in which the beam splitter device is designed with a refractive optical element, in particular wherein the beam splitter device forms a wedge plate which has several deflection zones which form an inclination with respect to a beam propagation direction of the collimated laser beam and which form an inclination with respect to the beam propagation direction have different orientations. Such a beam splitter device is simple in construction and intuitive to use. It should be noted that a deflection zone of a wedge plate can also be formed without an inclination to the direction of beam propagation, or the wedge plate does not cover part of the cross section of the collimated X-ray beam in order to generate an undeflected partial beam.

Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Strahlteiler-Einrichtung mit einem diffraktiven optischen Element ausgebildet,
insbesondere wobei die Strahlteiler-Einrichtung mehrere Beugungszonen aufweist, die Sägezahngitter ausbilden, wobei die Sägezahngitter eine unterschiedliche Orientierung bezüglich einer Strahlausbreitungsrichtung des kollimierten Laserstrahls aufweisen und/oder einen unterschiedlichen Aufbau aufweisen. Das diffraktive optische Element ist einfach herzustellen, und kann vergleichsweise kompakt ausgebildet werden. Das Sägezahngitter wird durch eine Oberfläche der Strahlteiler-Einrichtung als Höhenprofil (Dickenprofil) ausgebildet. Man beachte, dass eine Beugungszone auch ohne Sägezahngitter ausgebildet sein kann, oder die Strahlteiler-Einrichtung einen Teil des Querschnitts des kollimierten Röntgenstrahls nicht abdeckt, um einen unabgelenkten Teilstrahl zu erzeugen. Die Beugungszonen (Ablenkungszonen) lenken jeweils eine Teilfläche des Querschnitts des kollimierten Laserstrahls in eine andere Richtung ab als die übrigen Beugungszonen.
In an alternative embodiment, the beam splitter device is designed with a diffractive optical element,
in particular wherein the beam splitter device has several diffraction zones which form sawtooth grids, the sawtooth grids having a different orientation with respect to a beam propagation direction of the collimated laser beam and / or having a different structure. The diffractive optical element is easy to manufacture and can be made comparatively compact. The sawtooth grid is formed by a surface of the beam splitter device as a height profile (thickness profile). It should be noted that a diffraction zone can also be formed without a sawtooth grating, or that the beam splitter device does not cover part of the cross section of the collimated X-ray beam in order to generate an undeflected partial beam. The diffraction zones (deflection zones) each deflect a partial area of the cross-section of the collimated laser beam in a different direction than the other diffraction zones.

Erfindungsgemäßes Verfahren zum LaserschweißenMethod according to the invention for laser welding

In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstücks,
wobei ein Werkstück mittels mehrerer Teilstrahlen entlang einer Schweißrichtung geschweißt wird,
das dadurch gekennzeichnet ist,
dass das Werkstück mit wenigstens zwei bezüglich der Schweißrichtung vorauslaufenden Teilstrahlen und einem nachlaufenden Teilstrahl geschweißt wird, wobei die vorauslaufenden Teilstrahlen jeweils ein Strahlprofil mit einer Kernzone und wenigstens einer Ringzone aufweisen, die um die Kernzone liegt, wobei die vorauslaufenden Teilstrahlen quer zur Schweißrichtung aufgereiht sind,
und wobei bei den vorauslaufenden Teilstrahlen eine integrierte Laserleistung in der jeweiligen Kernzone größer ist als eine integrierte Laserleistung in der jeweiligen wenigstens einen Ringzone,
und dass die vorauslaufenden Teilstrahlen am Werkstück eine Einschweißung erzeugen, und der nachlaufende Teilstrahl eine Durchschweißung.
The scope of the present invention also includes a method for laser welding a workpiece,
whereby a workpiece is welded by means of several partial beams along one welding direction,
which is characterized by
that the workpiece is welded with at least two partial beams leading in relation to the welding direction and one trailing partial beam, the leading partial beams each having a beam profile with a core zone and at least one ring zone that lies around the core zone, the leading partial beams being lined up transversely to the welding direction,
and with the leading partial beams an integrated laser power in the respective core zone is greater than an integrated laser power in the respective at least one ring zone,
and that the leading partial beams produce a weld on the workpiece, and the trailing partial beam a weld through.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, ein Werkstück bzw. dessen Werkstückteile mit einer hohen Nahtqualität sowohl an der Oberseite des Werkstücks als auch an der Unterseite des Werkstücks mit einer hohen Vorschubgeschwindigkeit (Schweißgeschwindigkeit) in Durchschweißung zu schweißen. Insbesondere kann die Welligkeit („Humping“) und die Kerbenbildung an der Schweißnaht niedrig gehalten werden (insbesondere an der Oberseite, aber auch an der Unterseite) und die Spritzerbildung gering gehalten werden (insbesondere an der Unterseite, aber auch an der Oberseite).With the method according to the invention it is possible to weld a workpiece or its workpiece parts with a high seam quality both on the upper side of the workpiece and on the underside of the workpiece at a high feed rate (welding speed). In particular, the waviness (humping) and the formation of notches on the weld seam can be kept low (especially on the top, but also on the underside) and the formation of spatter can be kept low (especially on the underside, but also on the top).

Im Rahmen der Erfindung entfällt bei einem jeweiligen (vorauslaufenden) Teilstrahl auf die Kernzone eine größere integrierte Laserleistung als auf die wenigstens eine Ringzone. Der begrenzte Leistungseintrag in der Ringzone ist vorteilhaft für die Qualität der Schweißnaht an der Oberseite, insbesondere kann dadurch die Schweißbaddynamik gering werden. Mittels der Kernzone kann eine ausreichende Schweißtiefe, auch im Rahmen der Einschweißung am vorauslaufenden Teilstrahl, gewährleistet werden.Within the scope of the invention, with a respective (leading) partial beam, there is a greater integrated laser power on the core zone than on the at least one ring zone. The limited power input in the ring zone is advantageous for the quality of the weld seam on the upper side, in particular the weld pool dynamics can be low as a result. By means of the core zone, a sufficient welding depth can be guaranteed, also within the scope of the welding on the leading partial beam.

Die Leistungsverteilung zwischen der Kernzone und der wenigstens einen (typischerweise genau einen) Ringzone kann spezifisch für eine gewünschte Anwendung gewählt werden. Beispielsweise liegt bei einem Teilstrahl die integrierte Laserleistung in einer jeweiligen Kernzone bei wenigstens 60%, bevorzugt wenigstens 65%, besonders bevorzugt wenigstens 70%, und in der jeweiligen wenigstens einen Ringzone bei maximal 40%, bevorzugt maximal 35%, besonders bevorzugt maximal 30%, jeweils bezogen auf die gesamte eingestrahlte Laserleistung des Teilstrahls.The power distribution between the core zone and the at least one (typically exactly one) ring zone can be selected specifically for a desired application. For example, in a partial beam, the integrated laser power in a respective core zone is at least 60%, preferably at least 65%, particularly preferably at least 70%, and in the respective at least one ring zone at a maximum of 40%, preferably a maximum of 35%, particularly preferably a maximum of 30% , in each case based on the total irradiated laser power of the partial beam.

Typischerweise liegt zudem die Energieverteilung zwischen den vorauslaufenden Teilstrahlen (VT) und dem nachlaufenden Teilstrahl (NT) zwischen 40%VT/60%NT und 60%VT/40%NT.Typically, the energy distribution between the leading partial beams (VT) and the trailing partial beam (NT) is between 40% VT / 60% NT and 60% VT / 40% NT.

Ein zu schweißendes Werkstück (bzw. zwei zu verschweißende Teilwerkstücke des Werkstücks) haben typischerweise am Ort der Verschweißung eine Blechdicke von 1 mm bis 4 mm.A workpiece to be welded (or two partial workpieces of the workpiece to be welded) typically have a sheet thickness of 1 mm to 4 mm at the location of the weld.

Die Teilstrahlen mit Kernzone und die Ringzone weisen im Allgemeinen ein zweistufiges TopHat Strahlungsprofil auf. Dabei ist die Laserintensität innerhalb einer jeweiligen Ringzone im Wesentlichen homogen, beispielsweise in einem Bereich von +/- 20 %, bevorzugt +/- 10% um einen Mittelwert der Laserintensität in der Ringzone; ebenso ist die Laserintensität innerhalb einer jeweiligen Kernzone im Wesentlichen homogen, beispielsweise in einem Bereich von +/-40%, bevorzugt +/- 20% um einem Mittelwert der Laserintensität innerhalb der Kernzone (hierbei können die Übergänge zwischen Kernzone und Ringzone und zwischen Ringzone und Umgebung/ggf. weitere Ringzone außer Betracht bleiben, in denen die Laserintensität sich „sprunghaft“ verändert, die aber nur einen geringen Teil der bestrahlten Fläche, typischerweise jeweils weniger als 15%, bevorzugt weniger als 10%, im Vergleich zur benachbarten Kernzone oder Ringzone ausmachen).The partial beams with the core zone and the ring zone generally have a two-stage top hat radiation profile. The laser intensity is essentially homogeneous within a respective ring zone, for example in a range of +/- 20%, preferably +/- 10% around an average value of the laser intensity in the ring zone; Likewise, the laser intensity within a respective core zone is essentially homogeneous, for example in a range of +/- 40%, preferably +/- 20% around an average value of the laser intensity within the core zone (here the transitions between core zone and ring zone and between ring zone and Surroundings / possibly further ring zones in which the laser intensity changes “abruptly”, but only a small part of the irradiated area, typically less than 15%, preferably less than 10%, compared to the neighboring core zone or ring zone turn off).

Typischerweise ist vorgesehen, dass mit einer ersten Einstellvorrichtung eine Einstellung einer Energieverteilung zwischen den vorauslaufenden Teilstrahlen einerseits und dem nachlaufenden Teilstrahl andererseits erfolgen kann, und dass mit einer zweiten Einstellvorrichtung eine Einstellung einer Energieverteilung zwischen den jeweiligen Ringzonen und den jeweiligen Kernzonen erfolgen kann.It is typically provided that a first setting device can be used to set an energy distribution between the leading partial beams on the one hand and the trailing partial beam on the other hand, and that a second setting device can be used to set an energy distribution between the respective ring zones and the respective core zones.

Dies kann dazu genutzt werden, während des Schweißfortschritts an einem jeweiligen Werkstück die Energieverteilungen zu verändern, um das Schweißen während verschiedener Stadien des Schweißprozesses zu optimieren, beispielsweise um das Schweißen während des Einstechens des Laserstrahls in das Werkstück unterschiedlich zum Schweißen während des Abfahrens der Schweißnaht zu betreiben. Ebenso kann der Schweißprozess während des Schweißens eines jeweiligen Werkstücks mit einem Regelkreis mit den Einstellvorrichtungen optimiert werden, wobei das Schweißen mit einem Sensor überwacht wird; beispielsweise kann auf eine bestimmte (mittlere) Schmelzbadgröße und/oder auf eine bestimmte (etwa minimale) Amplitude einer Schmelzbadoszillation und/oder eine bestimmte Frequenz einer Schmelzbadoszillation eingeregelt werden.This can be used to change the energy distribution on a respective workpiece as the welding progresses, in order to optimize welding during various stages of the welding process, for example to make welding different from welding while the welding seam is being pierced by the laser beam operate. Likewise, the welding process can be optimized during the welding of a respective workpiece with a control loop with the setting devices, the welding being monitored with a sensor; for example, a specific (average) weld pool size and / or a specific (for example minimal) amplitude of a melt bath oscillation and / or a specific frequency of a melt bath oscillation can be adjusted.

Weiterhin können Werkstücke unterschiedlicher Werkstücktypen geschweißt werden, wobei je nach Werkstücktyp die erste Einstellvorrichtung und die zweite Einstellvorrichtung unterschiedlich eingestellt werden. Dafür ist es möglich, dass für einen zu schweißenden Werkstücktyp verschiedene Energieverteilungen zwischen den wenigstens zwei vorauslaufenden Teilstrahlen und dem nachlaufenden Teilstrahl sowie verschiedene Energieverteilungen zwischen den jeweiligen Ringzonen und den jeweiligen Kernzonen in Testschweißungen ausprobiert werden und jeweils die Qualität der erhaltenen Verschweißung beurteilt wird, insbesondere unter Einbeziehung von Spritzerbildung während des Schweißens und der Welligkeit und/oder Kerbenhäufigkeit der erhaltenen Schweißnaht und unter Berücksichtigung von Oberseite und Unterseite, und dass anhand der Testschweißungen ein Satz von optimalen Energieverteilungen für den Werkstücktyp bestimmt wird, insbesondere wobei dann eine Vielzahl von Werkstücken dieses Werkstücktyps mit dem Satz von optimalen Energieverteilungen geschweißt wird.Furthermore, workpieces of different workpiece types can be welded, the first setting device and the second setting device being set differently depending on the type of workpiece. For this, it is possible that for a workpiece type to be welded, different energy distributions between the at least two leading partial beams and the trailing partial beam as well as different energy distributions between the respective ring zones and the respective core zones are tried out in test welds and the quality of the weld obtained is assessed in each case, in particular under Inclusion of spatter formation during welding and the waviness and / or notch frequency of the weld seam obtained and taking into account the top and bottom, and that a set of optimal energy distributions for the workpiece type is determined on the basis of the test welds, in particular with a large number of workpieces of this workpiece type then is welded to the set of optimal energy distributions.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere auf einer oben beschriebenen, erfindungsgemäßen optischen Apparatur ablaufen.The method according to the invention can in particular run on an optical apparatus according to the invention described above.

Bevorzugte VerfahrensvariantenPreferred process variants

Bei einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserschweißen eines Werkstücks ist vorgesehen, dass auch der nachlaufende Teilstrahl ein Strahlprofil mit einer Kernzone und wenigstens einer Ringzone aufweist, die um die Kernzone liegt. Dies ermöglicht es, die vorauslaufenden Teilstrahlen und den nachlaufenden Teilstrahl auf einfache Weise aus demselben Eingangslaserstrahl zu erzeugen, der etwa einer Strahlformung mittels einer Multiclad-Faser unterzogen wird. Zudem kann durch dieses Strahlprofil auch die Qualität der Nahtunterseite günstig beeinflusst werden.In an advantageous variant of the method according to the invention for laser welding a workpiece, it is provided that the trailing partial beam also has a beam profile with a core zone and at least one ring zone which lies around the core zone. This makes it possible to generate the leading partial beams and the trailing partial beam in a simple manner from the same input laser beam that is subjected, for example, to beam shaping by means of a multiclad fiber. In addition, the quality of the underside of the seam can also be favorably influenced by this beam profile.

Bevorzugt ist eine Weiterentwicklung dieser Variante, die vorsieht, dass ein Eingangslaserstrahl in ein erstes Faserende einer Multiclad-Faser mit einer Kernfaser und wenigstens einer Ringfaser eingespeist wird, wodurch an einem zweiten Faserende der Multiclad-Faser ein Laserstrahl zur Verfügung gestellt wird, aus dem mit einer Kollimationsoptik ein kollimierter Laserstrahl erzeugt wird,
dass mittels einer Strahlteiler-Einrichtung aus dem kollimierten Laserstrahl die wenigstens zwei vorauslaufenden Teilstrahlen und der nachlaufende Teilstrahl erzeugt werden,
und dass mittels einer Fokussierungsoptik die Teilstrahlen auf das Werkstück fokussiert werden. Dadurch kann das gewünschte Strahlprofil für die vorauslaufenden Teilstrahl und auch für den nachlaufenden Teilstrahl mit Kernzone und Ringzone auf einfache Weise aus nur einem Eingangsstrahl (und entsprechend mit nur einem Laser) erzeugt werden.
A further development of this variant is preferred, which provides that an input laser beam is fed into a first fiber end of a multiclad fiber with a core fiber and at least one ring fiber, whereby a laser beam is available at a second fiber end of the multiclad fiber is placed, from which a collimated laser beam is generated with collimation optics,
that the at least two leading partial beams and the trailing partial beam are generated from the collimated laser beam by means of a beam splitter device,
and that the partial beams are focused on the workpiece by means of focusing optics. As a result, the desired beam profile for the leading partial beam and also for the trailing partial beam with core zone and ring zone can be generated in a simple manner from just one input beam (and accordingly with just one laser).

Bei einer vorteilhaften Variante ist vorgesehen, dass am Werkstück die Ringzonen der vorauslaufenden Teilstrahlen jeweils mit der Ringzone des nachlaufenden Teilstrahls überlappen, nicht jedoch mit der Kernzone des nachlaufenden Teilstrahls. Entsprechend bilden die vorauslaufenden Teilstrahlen und der nachlaufende Teilstrahl insgesamt einen zusammenhängenden, von Laserstrahlung beleuchteten Bereich auf dem Werkstück aus. Dies reduziert Temperaturgradienten im Schmelzbad und reduziert somit die Schmelzbaddynamik.In an advantageous variant, it is provided that on the workpiece the ring zones of the leading partial beams each overlap with the ring zone of the trailing partial beam, but not with the core zone of the trailing partial beam. Accordingly, the leading partial beams and the trailing partial beam as a whole form a coherent area on the workpiece that is illuminated by laser radiation. This reduces temperature gradients in the weld pool and thus reduces the melt pool dynamics.

Bei einer bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass am Werkstück die Ringzonen der vorauslaufenden Teilstrahlen in der Richtung quer zur Schweißrichtung zwischen den Kernzonen überlappen. Zumindest die vorauslaufenden Teilstrahlen bilden dann einen zusammenhängenden, von Laserstrahlung beleuchteten Bereich auf dem Werkstück. Temperaturgradienten quer zur Vorschubrichtung, insbesondere im Schmelzbad, können dadurch reduziert werden, und die Schmelzbaddynamik insgesamt reduziert werden.In a preferred variant, it is provided that on the workpiece the ring zones of the leading partial beams overlap in the direction transverse to the welding direction between the core zones. At least the leading partial beams then form a coherent area on the workpiece that is illuminated by laser radiation. Temperature gradients transverse to the feed direction, in particular in the melt pool, can thereby be reduced, and the melt pool dynamics can be reduced overall.

Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung dieser Variante ist vorgesehen, dass die Überlappung der Ringzonen der vorauslaufenden Teilstrahlen so eingerichtet ist, dass die Ringzone des jeweils einen vorauslaufenden Teilstrahls im Wesentlichen bis an die Kernzone des jeweils anderen vorauslaufenden Teilstrahls reicht, nicht jedoch mit der Kernzone des jeweils anderen vorauslaufenden Teilstrahls überlappt. Dies verringert Temperaturgradienten im Schmelzbad weiter, und vermeidet insbesondere lokal besonders hohe Leistungseinträge. Die Schmelzbaddynamik kann weiter reduziert werden.In an advantageous further development of this variant, it is provided that the overlapping of the ring zones of the leading partial beams is set up so that the ring zone of the one leading partial beam extends essentially to the core zone of the other leading partial beam, but not with the core zone of the other leading partial beam overlaps. This further reduces temperature gradients in the weld pool and, in particular, avoids particularly high power input locally. The melt pool dynamics can be further reduced.

Bevorzugt ist weiter eine Variante, die vorsieht, dass am Werkstück für einen Durchmesser DK einer jeweiligen Kernzone und einen Durchmesser DR einer jeweiligen Ringzone gilt:

  • 2*DK ≤ DR ≤ 5*DK,
  • bevorzugt 2,5*DK ≤ DR ≤ 4,5*DK,
  • besonders bevorzugt 3*DK ≤ DR ≤ 4*DK. Mit diesen Größenverhältnissen haben sich besonders gute Schweißnahtqualitäten ergeben. Die Laserenergie kann in den Ringzonen über eine ausreichende Fläche verteilt werden, und gleichzeitig können ausreichende Schweißtiefen erreicht werden, für die die Laserleistung in den Kernzonen von besonderer Bedeutung ist.
A variant is also preferred which provides that on the workpiece for one diameter DK a respective core zone and a diameter DR the following applies to each ring zone:
  • 2 * DK ≤ DR ≤ 5 * DK,
  • preferably 2.5 * DK ≤ DR ≤ 4.5 * DK,
  • particularly preferably 3 * DK DR ≤ 4 * DK. With these proportions, particularly good weld seam qualities have resulted. The laser energy can be distributed over a sufficient area in the ring zones, and at the same time sufficient welding depths can be achieved, for which the laser power in the core zones is of particular importance.

Ebenso bevorzugt ist eine Variante, bei der am Werkstück für einen Durchmesser DK einer jeweiligen Kernzone und einen Durchmesser DR einer jeweiligen Ringzone gilt:

  • 200µm ≤ DK ≤ 600µm und 600µm ≤ DR ≤ 1500µm,
  • bevorzugt 225µm ≤ DK ≤ 500µm und 750µm ≤ DR ≤ 1500µm,
  • ganz besonders bevorzugt
  • 250µm ≤ DK ≤ 400µm und 900µm ≤ DR ≤ 1500µm. Mit diesen Größenverhältnissen haben sich wiederum besonders gute Schweißnahtqualitäten ergeben, insbesondere bei zu schweißenden Blechdicken von 1 mm bis 4 mm.
A variant is also preferred in the case of the one on the workpiece for one diameter DK a respective core zone and a diameter DR the following applies to each ring zone:
  • 200 µm ≤ DK ≤ 600 µm and 600 µm ≤ DR ≤ 1500 µm,
  • preferably 225 µm ≤ DK ≤ 500 µm and 750 µm ≤ DR ≤ 1500 µm,
  • especially preferred
  • 250 µm ≤ DK ≤ 400 µm and 900 µm ≤ DR ≤ 1500 µm. With these size ratios, in turn, particularly good weld seam qualities have resulted, in particular in the case of sheet metal thicknesses of 1 mm to 4 mm to be welded.

In den Rahmen der Erfindung fällt auch die Verwendung einer erfindungsgemä-ßen, oben beschriebenen optischen Apparatur in einem erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Verfahren. Dadurch ist eine Laserschweißung mit guter Schweißnahtqualität und hoher Produktivität (Vorschubgeschwindigkeit) möglich, wobei die Leistungsverteilung zwischen den vorauslaufenden Teilstrahlen und dem nachlaufenden Teilstrahl sowie zwischen der wenigstens einen Ringzone/Ringfaser und der Kernzone/Kernfaser flexibel angepasst werden kann, um den Laserschweißprozess zu optimieren.The use of an optical apparatus according to the invention, described above, in a method according to the invention, described above, also falls within the scope of the invention. This enables laser welding with good weld seam quality and high productivity (feed speed), whereby the power distribution between the leading partial beams and the trailing partial beam as well as between the at least one ring zone / ring fiber and the core zone / core fiber can be flexibly adapted in order to optimize the laser welding process.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further advantages of the invention emerge from the description and the drawing. The features mentioned above and below can also be used according to the invention individually or collectively in any combination. The embodiments shown and described are not to be understood as an exhaustive list, but rather have an exemplary character for describing the invention.

FigurenlisteFigure list

  • 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Apparatur; 1 shows a schematic representation of an embodiment of an optical apparatus according to the invention;
  • 2 zeigt in schematischer Schrägansicht eine Keilplatte ausgebildete Strahlteiler-Einrichtung für die Erfindung; 2 shows a wedge plate designed beam splitter device for the invention in a schematic oblique view;
  • 3 zeigt in schematischer Schrägansicht eine als diffraktives optisches Element ausgebildete Strahlteiler-Einrichtung für die Erfindung sowie ein Höhendiagramm des diffraktiven optischen Elements; 3 shows a schematic oblique view of a beam splitter device designed as a diffractive optical element for the invention and FIG a height diagram of the diffractive optical element;
  • 4 zeigt schematisch ein Fokusbild einer ersten Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserschweißen eines Werkstücks, wobei die beiden vorauslaufenden Teilstrahlen und der nachlaufende Teilstrahl nicht überlappen; 4th shows schematically a focus image of a first variant of a method according to the invention for laser welding a workpiece, wherein the two leading partial beams and the trailing partial beam do not overlap;
  • 5 zeigt schematisch ein Fokusbild einer zweiten Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserschweißen eines Werkstücks, wobei die vorauslaufenden Teilstrahlen nicht untereinander, aber mit dem nachlaufenden Teilstrahl überlappen; 5 shows schematically a focus image of a second variant of a method according to the invention for laser welding a workpiece, the leading partial beams not overlapping one another but with the trailing partial beam;
  • 6 zeigt schematisch ein Fokusbild einer dritten Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserschweißen eines Werkstücks, wobei die vorauslaufenden Teilstrahlen nicht untereinander, aber mit dem nachlaufenden Teilstrahl überlappen; 6th shows schematically a focus image of a third variant of a method according to the invention for laser welding a workpiece, the leading partial beams not overlapping one another but with the trailing partial beam;
  • 7 zeigt ein Schemadiagramm der Energieverteilung im Strahlprofil eines vorauslaufenden Teilstrahls für die Erfindung; 7th shows a schematic diagram of the energy distribution in the beam profile of a leading partial beam for the invention;
  • 8 zeigt ein Schemadiagramm des Verlaufs eines Brechungsindex einer Multiclad-Faser für die Erfindung entlang eines Querschnitts. 8th shows a schematic diagram of the course of a refractive index of a multiclad fiber for the invention along a cross section.

Die 1 zeigt in einer Schemadarstellung beispielhaft eine erfindungsgemäße optischen Apparatur 1 zum Laserschweißen eines Werkstücks 2. Man beachte, dass der in der 1 linke Teil der optischen Apparatur 1 hier zum besseren Verständnis vergrößert gegenüber dem rechten Teil der Apparatur 1 dargestellt ist, und der Vergrößerungsübergang im Bereich der Multiclad-Faser 8 liegt (vgl. der gepunktete Konus).The 1 shows an example of an optical apparatus according to the invention in a schematic representation 1 for laser welding a workpiece 2 . Note that the 1 left part of the optical apparatus 1 here enlarged compared to the right part of the apparatus for better understanding 1 is shown, and the enlargement transition in the area of the multiclad fiber 8th lies (see the dotted cone).

Die optische Apparatur 1 umfasst eine Laserstrahlquelle 3 zum Bereitstellen eines Laserstrahls 4, der ein besonderes Strahlprofil aufweist, hier mit einer Kernzone und einer diese umgebende Ringzone.The optical apparatus 1 includes a laser beam source 3 for providing a laser beam 4th , which has a special beam profile, here with a core zone and a ring zone surrounding it.

Dafür umfasst die Laserstrahlquelle 3 hier einen Festkörperlaser 5, der einen hier kollimierten Eingangslaserstrahl 6 zur Verfügung stellt. Dieser Eingangslaserstrahl 6 wird in ein erstes (eingangsseitiges) Faserende 7 einer Multiclad-Faser 8 eingekoppelt. Die Multiclad-Faser 8 weist hier eine Kernfaser 9 und eine diese umgebende Ringfaser 10 auf; man beachte, dass in anderen Ausführungsformen noch eine oder mehrere weitere Ringfasern vorgesehen sein können, die die Ringfaser 10 umgeben. In den Eingangslaserstrahl 6 ragt hier ein Keil 11 aus einem für den Eingangslaserstrahl 6 transparenten, aber lichtbrechenden Material. Dadurch wird ein Teil 12 des Eingangslaserstrahls 6 abgelenkt. Der abgelenkte Teil 12 und ein unabgelenkter übriger Teil 13 des Eingangslaserstrahls 6 werden hier durch eine Fokussierlinse 14 auf das erste Faserende 7 fokussiert, wobei der abgelenkte Teil 12 in die Ringfaser 10 und der nichtabgelenkte, übrige Teil 13 in die Kernfaser 9 eingekoppelt wird.For this, the laser beam source includes 3 here a solid-state laser 5 , the one here collimated input laser beam 6th provides. This input laser beam 6th is in a first (input-side) fiber end 7th a multiclad fiber 8th coupled. The multiclad fiber 8th shows a core fiber here 9 and a ring fiber surrounding it 10 on; it should be noted that in other embodiments one or more further ring fibers can be provided, which form the ring fiber 10 surround. Into the input laser beam 6th a wedge protrudes here 11 from one for the input laser beam 6th transparent but refractive material. This becomes a part 12th of the input laser beam 6th distracted. The distracted part 12th and an undistracted remaining part 13th of the input laser beam 6th are here through a focusing lens 14th on the first fiber end 7th focused, with the distracted part 12th into the ring fiber 10 and the undeflected, remaining part 13th into the core fiber 9 is coupled.

Über die Länge der Multiclad-Faser 8 (die in der schematischen Darstellung verkürzt dargestellt ist) verteilt sich die Laserleistung der eingekoppelten Teile 12, 13 des Eingangslaserstrahls 6 (abhängig von den Lasermoden und der Länge der Multiclad-Faser) im Wesentlichen gleichmäßig auf den gesamten Querschnitt von Kernfaser 9 und Ringfaser 10. Dadurch wird an einem zweiten (ausgangsseitigen) Faserende 15 der Multiclad-Faser 8 der Laserstrahl 4 mit einem so genannten zweistufigen Top-Hat-Strahlprofil zur Verfügung gestellt (vgl. hierzu auch weiter unten).Over the length of the multiclad fiber 8th (which is shown in abbreviated form in the schematic representation) the laser power of the coupled parts is distributed 12th , 13th of the input laser beam 6th (depending on the laser modes and the length of the multiclad fiber) essentially uniformly over the entire cross-section of the core fiber 9 and ring fiber 10 . This is at a second (output) fiber end 15th the multiclad fiber 8th the laser beam 4th provided with a so-called two-stage top hat beam profile (see also below).

Der am zweiten Faserende 15 von der Laserstrahlquelle 3 zur Verfügung gestellte, profilierte Laserstrahl 4 wird nun mit einer Kollimationsoptik 16 kollimiert (parallelisiert). Die Kollimationsoptik 16 ist hier mit einem Kollimationslinse 17 ausgebildet; in anderen Ausführungsformen kann beispielsweise auch eine Kombination von zwei gekreuzten Zylinderlinsenarrays eingesetzt werden. Der kollimierte Laserstrahl 18 wird dann von einer Strahlteiler-Einrichtung 19 auf wenigstens drei Teilstrahlen 20a, 20b aufgeteilt, nämlich zwei vorauslaufende Teilstrahlen und einen nachlaufenden Teilstrahl (in 1 sind nicht alle Teilstrahlen direkt ersichtlich, siehe dazu unten mehr). Die Strahlteiler-Einrichtung 19 ist hier als eine Keilplatte 21 ausgebildet, die mehrere Ablenkungszonen 22a, 22b aufweist, die unterschiedlich geneigt ausgebildet sind. Die Keilplatte 21 besteht aus für den Laserstrahl 18 transparentem, aber lichtbrechendem Material. Entsprechend werden die Teilstrahlen 20a, 20b in (geringfügig) unterschiedliche Richtungen abgelenkt. Die Teilstrahlen 20a, 20b werden dann von einer Fokussierungsoptik 23, die hier mit einer Fokussierlinse 24 ausgebildet ist, auf das Werkstück 2 fokussiert. Die Strahlflecken 25a, 25b der Teilstrahlen 25a, 25b sind durch die unterschiedliche Ablenkung der Teilstrahlen 20a, 20b an der Strahlteiler-Einrichtung 19 (geringfügig) gegeneinander verschoben. Die Strahlflecken 25a, 25b weisen jeweils das durch die Laserstrahlquelle 3 und insbesondere die dortige Multiclad-Faser 8 aufgeprägtes Strahlprofil auf (vgl. hierzu auch die Fokusbilder unten).The one at the second fiber end 15th from the laser beam source 3 provided, profiled laser beam 4th is now with a collimation optics 16 collimated (parallelized). The collimation optics 16 is here with a collimating lens 17th educated; in other embodiments, for example, a combination of two crossed cylinder lens arrays can also be used. The collimated laser beam 18th is then by a beam splitter device 19th on at least three partial beams 20a , 20b divided, namely two leading partial beams and one trailing partial beam (in 1 not all partial beams are directly visible, see more below). The beam splitter device 19th is here as a wedge plate 21 formed the multiple deflection zones 22a , 22b has, which are formed differently inclined. The wedge plate 21 consists of for the laser beam 18th transparent but refractive material. The partial beams are accordingly 20a , 20b deflected in (slightly) different directions. The partial beams 20a , 20b are then by a focusing optics 23 the one here with a focusing lens 24 is formed on the workpiece 2 focused. The beam spots 25a , 25b of the partial beams 25a , 25b are due to the different deflection of the partial beams 20a , 20b at the beam splitter device 19th (slightly) shifted against each other. The beam spots 25a , 25b each point that through the laser beam source 3 and in particular the multiclad fiber there 8th impressed beam profile (see also the focus images below).

Die Keilplatte 21 ist durch einen nicht näher dargestellten Mechanismus, bevorzugt motorisierten Mechanismus, entlang hier einer Einstellrichtung ER und einer senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden zweiten Richtung R2 verfahrbar; die Einstellrichtung ER und die zweite Richtung R2 verlaufen beide quer zur Ausbreitungsrichtung AR des kollimierten Laserstrahls 18 und zudem senkrecht zueinander. Dadurch können die Anteile (Energieanteile) der Teilstrahlen 20a, 20b, die aus dem kollimierten Laserstrahl 18 erhalten werden, verändert werden. Die Keilplatte 21 bzw. die Strahlteiler-Einrichtung 19 einschließlich des nicht dargestellten, weiteren Mechanismus wird entsprechend als erste Einstellvorrichtung 26 bezeichnet, mit der eine Leistungsverteilung zwischen den Teilstrahlen 20a, 20b, und dabei insbesondere zwischen den vorauslaufenden Teilstrahlen einerseits und den nachlaufenden Teilstrahlen andererseits, eingestellt werden kann.The wedge plate 21 is by a mechanism not shown, preferably a motorized mechanism, here along an adjustment direction HE and a second direction perpendicular to the plane of the drawing R2 movable; the direction of adjustment HE and the second direction R2 both run transversely to the direction of propagation AR of the collimated laser beam 18th and also perpendicular to each other. This allows the parts (energy parts) of the partial beams 20a , 20b that collimated from the laser beam 18th be obtained, changed. The wedge plate 21 or the beam splitter device 19th including the further mechanism, not shown, is accordingly used as the first adjustment device 26th denotes, with which a power distribution between the partial beams 20a , 20b , and in particular between the leading partial beams on the one hand and the trailing partial beams on the other hand, can be set.

Der Keil 11 ist durch einen weiteren, nicht näher dargestellten Mechanismus, bevorzugt motorisierten Mechanismus, entlang einer ersten Richtung R1, die quer zur Ausbreitungsrichtung AR des Eingangslaserstrahls 6 verläuft, verfahrbar. Dadurch können die Anteile (Energieanteile) der Teile 12 und 13 des Eingangslaserstrahls 6 verändert werden. Der Keil 11 einschließlich des nicht dargestellten Mechanismus wird entsprechend als zweite Einstellvorrichtung 27 bezeichnet, mit der eine Leistungsverteilung zwischen der Kernfaser 9 (bzw. der Kernzone des Strahlprofils) und der Ringfaser 10 (bzw. der Ringzone des Strahlprofils) eingestellt werden kann.The wedge 11 is by a further, not shown mechanism, preferably a motorized mechanism, along a first direction R1 that are transverse to the direction of propagation AR of the input laser beam 6th runs, movable. This allows the proportions (energy proportions) of the parts 12th and 13th of the input laser beam 6th to be changed. The wedge 11 including the mechanism not shown is accordingly used as a second adjustment device 27 denotes, with which a power distribution between the core fiber 9 (or the core zone of the beam profile) and the ring fiber 10 (or the ring zone of the beam profile) can be set.

Die 2 zeigt schematisch eine beispielhafte Keilplatte 21, die im Rahmen der Erfindung als Strahlteiler-Einrichtung 19 für den kollimierten Laserstrahl 18 (vgl. die gestrichelt eingezeichnete Randlinie) eingesetzt werden kann.The 2 shows schematically an exemplary wedge plate 21 , which in the context of the invention as a beam splitter device 19th for the collimated laser beam 18th (see. The dashed edge line) can be used.

Die Keilplatte 21 weist hier drei Ablenkungszonen 31, 32, 33 auf, die um ein Zentrum 34 herum angeordnet sind; die Keilplatte 21 weist hier eine im Wesentlichen kreisscheibenförmige Gestalt auf. Die Unterseite der Keilplatte 21 ist hier eben und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung AR des kollimierten Laserstrahls 18 ausgebildet. An der Oberseite sind die Ablenkungszonen 31, 32, 33 jedoch mit einer unterschiedlichen Neigung bzw. Orientierung gegenüber der Ausbreitungsrichtung AR ausgebildet.The wedge plate 21 has three deflection zones here 31 , 32 , 33 on that around a center 34 are arranged around; the wedge plate 21 here has an essentially circular disk-shaped shape. The underside of the wedge plate 21 is here flat and perpendicular to the direction of propagation AR of the collimated laser beam 18th educated. At the top are the deflection zones 31 , 32 , 33 but with a different inclination or orientation compared to the direction of propagation AR educated.

Die Ablenkungszone 31 nimmt ein Winkelintervall von 180° um das Zentrum 34 ein. Die Ablenkungszone 31 ist mit der Oberseite senkrecht zur Ausbreitungsrichtung AR / z-Richtung ausgerichtet (also „ohne“ Neigung). Der Anteil des kollimierten Laserstrahls 18, der auf diese Ablenkungszone 31 trifft, wird aufgrund eines näherungsweise senkrechten Auftreffens durch die Oberseite der Keilplatte 21 nicht abgelenkt. Dieser Anteil bildet den nachlaufenden Teilstrahl aus. Man beachte, dass die Ablenkungszone 31 erfindungsgemäß auch ohne Material ausgebildet werden kann, also der zugehörige Anteil des kollimierten Laserstrahls 18 an der Keilplatte 21 vorbei läuft („Halbelement“, nicht näher dargestellt).The distraction zone 31 takes an angular interval of 180 ° around the center 34 a. The distraction zone 31 is aligned with the upper side perpendicular to the direction of propagation AR / z-direction (ie "without" inclination). The fraction of the collimated laser beam 18th that is on this distraction zone 31 hits, is due to an approximately perpendicular impact through the top of the wedge plate 21 not distracted. This portion forms the trailing partial beam. Note that the deflection zone 31 according to the invention can also be formed without material, that is to say the associated portion of the collimated laser beam 18th on the wedge plate 21 runs past ("half element", not shown in detail).

Die Ablenkungszone 32 nimmt ein Winkelintervall von 90° um das Zentrum 34 ein. Die Oberseite der Ablenkungszone 32 ist gegenüber der Oberseite der Ablenkungszone 31 bzw. gegenüber der Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung AR (=z-Richtung) des kollimierten Laserstrahls 18 leicht geneigt, beispielsweise um -0,30° gegenüber der x-Richtung und -0,12° gegenüber der y-Richtung. Der Anteil des kollimierten Laserstrahls 18, der auf die Ablenkungszone 32 trifft, wird aufgrund dieser Neigung abgelenkt. Dieser Anteil bildet einen vorauslaufenden Teilstrahl aus.The distraction zone 32 takes an angular interval of 90 ° around the center 34 a. The top of the deflection zone 32 is opposite the top of the deflection zone 31 or opposite the plane perpendicular to the direction of propagation AR (= z-direction) of the collimated laser beam 18th slightly inclined, for example by -0.30 ° in relation to the x-direction and -0.12 ° in relation to the y-direction. The fraction of the collimated laser beam 18th pointing to the distraction zone 32 hits is distracted due to this tendency. This part forms a leading partial beam.

Die Ablenkungszone 33 nimmt ebenfalls ein Winkelintervall von 90° um das Zentrum 34 ein. Die Oberseite der Ablenkungszone 33 ist gegenüber der Oberseite der Ablenkungszone 31 bzw. gegenüber der Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung AR (=z-Richtung) des kollimierten Laserstrahls 18 ebenfalls leicht geneigt, jedoch spiegelsymmetrisch bzgl. der xz-Ebene im Vergleich zur Ablenkungszone 32. Die Ablenkungszone 33 ist beispielsweise um +0,30° gegenüber der x-Richtung und -0,12° gegenüber der y-Richtung geneigt. Der Anteil des kollimierten Laserstrahls 18, der auf die Ablenkungszone 33 trifft, wird aufgrund dieser Neigung abgelenkt. Dieser Anteil bildet einen weiteren vorauslaufenden Teilstrahl aus.The distraction zone 33 also takes an angular interval of 90 ° around the center 34 a. The top of the deflection zone 33 is opposite the top of the deflection zone 31 or opposite the plane perpendicular to the direction of propagation AR (= z-direction) of the collimated laser beam 18th also slightly inclined, but mirror-symmetrical with regard to the xz-plane compared to the deflection zone 32 . The distraction zone 33 is inclined, for example, by + 0.30 ° relative to the x-direction and -0.12 ° relative to the y-direction. The fraction of the collimated laser beam 18th pointing to the distraction zone 33 hits is distracted due to this tendency. This portion forms a further leading partial beam.

In der gezeigten relativen Position der Keilplatte 21 gegenüber dem kollimierten Laserstrahl 18, in der der kollimierte Laserstrahl 18 auf das Zentrum 34 der Keilplatte 21 zentriert ist, werden die beiden vorauslaufenden Teilstrahlen jeweils einen Leistungsanteil von 25% und der nachlaufende Teilstrahl einen Leistungsanteil von 50% der gesamten Laserleistung erhalten.In the relative position of the wedge plate shown 21 compared to the collimated laser beam 18th in which the collimated laser beam 18th on the center 34 the wedge plate 21 is centered, the two leading partial beams will each receive a power share of 25% and the trailing partial beam a power share of 50% of the total laser power.

Zur Veränderung dieser Leistungsanteile kann die Keilplatte 21 aus der gezeigten zentrierten Lage zumindest entlang der Erstreckungsrichtung ER, die entlang der Grenze 35 der beiden Ablenkungszonen 32, 33 verläuft, verfahren werden. Die Erstreckungsrichtung ER verläuft parallel zur x-Richtung. Durch Verfahren der Keilplatte 21 (gegenüber dem Laserstrahl 18) in positive x-Richtung können der Leistungsanteil des nachlaufenden Teilstrahls erhöht und die Leistungsanteile der vorauslaufenden Teilstrahlen verringert werden, und umgekehrt.The wedge plate can be used to change these performance components 21 from the shown centered position at least along the extension direction HE running along the border 35 of the two distraction zones 32 , 33 runs, be moved. The direction of extension HE runs parallel to the x-direction. By moving the wedge plate 21 (opposite the laser beam 18th ) In the positive x-direction, the power component of the trailing partial beam can be increased and the power component of the leading partial beam reduced, and vice versa.

Bevorzugt kann die Keilplatte 21 weiterhin aus der gezeigten Lage (und unabhängig von der Verschiebung entlang der Erstreckungsrichtung ER) auch noch in die zweite Richtung R2, die entlang einer Grenze 36 zwischen der Ablenkungszone 31 und den Ablenkungszonen 32, 33 verläuft, verfahren werden. Die zweite Richtung R2 verläuft parallel zur y-Richtung. Durch Verfahren der Keilplatte 21 (gegenüber dem Laserstrahl 18) in positive y-Richtung können der Leistungsanteil des vorauslaufenden Teilstrahls der Ablenkungszone 32 erhöht und der Leistungsanteil des vorauslaufenden Teilstrahls der Ablenkungszone 33 verringert werden, und umgekehrt; dabei bleibt der Leistungsanteil des nachlaufenden Teilstrahls unverändert.Preferably the wedge plate 21 still from the position shown (and regardless of the displacement along the direction of extension HE ) also in the second direction R2 running along a border 36 between the deflection zone 31 and the distraction zones 32 , 33 runs, be moved. The second direction R2 runs parallel to the y-direction. By moving the wedge plate 21 (opposite the laser beam 18th ) in the positive y-direction the power component of the leading partial beam of the deflection zone 32 increased and the power component of the leading partial beam of the deflection zone 33 be decreased and vice versa; the power component of the trailing partial beam remains unchanged.

Die unterschiedlichen Ablenkungswirkungen der Ablenkungszonen 31, 32, 33 der Keilplatte 21 beruhen auf Lichtbrechung, und entsprechend wird die Keilplatte 21 als ein refraktives optisches Element 37 angesehen.The different distraction effects of the distraction zones 31 , 32 , 33 the wedge plate 21 are based on the refraction of light, and accordingly is the wedge plate 21 as a refractive optical element 37 viewed.

Alternativ ist es auch möglich, eine Strahlteiler-Einrichtung 19 mit einem diffraktiven optischen Element 40 auszubilden, vgl. die schematische, beispielhafte Darstellung in 3 hierzu. Das diffraktive, optische Element 40 ist aus einem für den Laserstrahl 18 transparentem, aber lichtbrechenden Material gefertigt; es verfügt wiederum über eine ebene Unterseite, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung AR liegt. Das diffraktive optische Element 40 bildet ebenfalls Ablenkungszonen 31, 32, 33 aus, die in unterschiedliche Richtungen gerichtete Teilstrahlen aus dem kollimierten Laserstrahl 18 erzeugen. Die unterschiedlichen Ablenkungswirkungen der Ablenkungszonen 31, 32, 33 beruhen aber im Wesentlichen auf einer Beugung des kollimierten Laserstrahls 18, weshalb die Ablenkungszonen 31, 32, 33 auch als Beugungszonen 41, 42, 43 bezeichnet werden.Alternatively, it is also possible to use a beam splitter device 19th with a diffractive optical element 40 to train, see the schematic, exemplary representation in 3 For this. The diffractive, optical element 40 is made of one for the laser beam 18th made of transparent but refractive material; it in turn has a flat underside that is perpendicular to the direction of propagation AR lies. The diffractive optical element 40 also forms deflection zones 31 , 32 , 33 from the partial beams from the collimated laser beam directed in different directions 18th produce. The different distraction effects of the distraction zones 31 , 32 , 33 but are essentially based on diffraction of the collimated laser beam 18th , which is why the deflection zones 31 , 32 , 33 also as diffraction zones 41 , 42 , 43 are designated.

In der Beugungszone 41 wird in der gezeigten Ausführungsform der Laserstrahl 18 nicht abgelenkt, da dort das diffraktive optische Element 40 an seiner Oberseite eben (mit konstanter lokaler Höhe h, also ohne ein Sägezahngitter) ausgebildet ist. Man beachte, dass die Beugungszone 41 erfindungsgemäß auch ohne Material ausgebildet werden kann, also der zugehörige Anteil des kollimierten Laserstrahls 18 am diffraktiven optischen Element 40 vorbei läuft („Halbelement“, nicht näher dargestellt).In the flexion zone 41 becomes in the embodiment shown the laser beam 18th not distracted because the diffractive optical element is there 40 flat on its upper side (with constant local height H , so without a sawtooth grid) is formed. Note that the diffraction zone 41 according to the invention can also be formed without material, that is to say the associated portion of the collimated laser beam 18th on the diffractive optical element 40 runs past ("half element", not shown in detail).

In der Beugungszone 42 ist hingegen an der Oberseite ein Sägezahngitter mit einer lokal veränderlichen Höhe (bzw. lokale veränderlichen Dicke des diffraktiven optischen Elements 40 in Strahlausbreitungsrichtung AR) des diffraktiven optischen Elements 40 eingerichtet, vgl. das Höhenprofil unten, in welchem die lokale Höhe h (in z-Richtung) gegen den Ort entlang der Schnittrichtung a (vgl. die gestrichelte Schnittebene A) aufgetragen ist. Beim diffraktiven optischen Element 40 ist in der Beugungszone 42 mit Linien angedeutet, wo die lokale Höhe h jeweils gleich und maximal ist. Diese Linien sind gegenüber der y-Richtung leicht geneigt (hier um ca. +15°), wodurch eine entsprechende leichte Ablenkung des Laserstrahls 18 im Bereich der Beugungszone 42 erreicht wird. Die Linien verlaufen senkrecht zur eingezeichneten Schnittrichtung a, und das Sägezahnprofil fällt entlang dieser Schnittlinie immer wieder ab und steigt immer wieder abrupt an.In the flexion zone 42 on the other hand, a sawtooth grid with a locally variable height (or locally variable thickness of the diffractive optical element) is at the top 40 in the direction of beam propagation AR ) of the diffractive optical element 40 set up, see the height profile below, in which the local height H (in the z-direction) against the location along the cutting direction a (see the dashed section plane A. ) is applied. With the diffractive optical element 40 is in the flexion zone 42 indicated with lines where the local altitude H each is equal and maximum. These lines are slightly inclined in relation to the y-direction (here by approx. + 15 °), which results in a corresponding slight deflection of the laser beam 18th in the area of the flexion zone 42 is achieved. The lines run perpendicular to the cutting direction shown a , and the sawtooth profile falls again and again along this cutting line and rises again and again abruptly.

Die Beugungszone 43 weist analog ebenfalls ein Sägezahnprofil auf. Dieses ist mit seinen Linien, die die jeweils gleiche und maximale, lokale Höhe indizieren, gegenüber der y-Richtung gegengleich zur Beugungszone 42 geneigt, hier mit ihren Linien um ca. -15° gegenüber der y-Richtung, wodurch dort eine entsprechende gegengleiche leichte Ablenkung des Laserstrahls 18 erzeugt wird.The flexion zone 43 likewise has a sawtooth profile. With its lines, which indicate the same and maximum local height, this is opposite to the diffraction zone in relation to the y-direction 42 inclined, here with its lines by approx. -15 ° in relation to the y-direction, as a result of which there is a corresponding slight deflection of the laser beam in opposite directions 18th is produced.

Im Übrigen ist die Funktionsweise der Strahlteiler-Einrichtung 19 von 3 analog zur Strahlteiler-Einrichtung von 2.Incidentally, the mode of operation of the beam splitter device 19th of 3 analogous to the beam splitter device from 2 .

In den 4 bis 6 sind schematisch beispielhafte Fokusbilder dargestellt, die im Rahmen der Erfindung angewandt werden können. Die Fokusbilder zeigen die Teilstrahlen 20a-20c, die während des Laserstrahlschweißens auf die Oberseite des Werkstücks gerichtet werden und mittels der Fokussierungsoptik auf das Werkstück bzw. dessen Oberfläche fokussiert werden, am Ort der Oberfläche, die der Zeichenebene entspricht.In the 4th to 6th are shown schematically exemplary focus images that can be used within the scope of the invention. The focus images show the partial beams 20a-20c , which are directed to the top of the workpiece during laser beam welding and are focused on the workpiece or its surface by means of the focusing optics, at the location of the surface that corresponds to the plane of the drawing.

In den gezeigten Varianten werden jeweils bezüglich einer vorgegebenen relativen Schweißrichtung (Vorschubrichtung) SR zwei vorauslaufende Teilstrahlen 20b, 20c und ein nachlaufender Teilstrahl 20a eingesetzt. Die vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c sind dabei bezüglich einer Querrichtung QR in gerader Linie aufgereiht angeordnet; die Querrichtung QR verläuft senkrecht zur Schweißrichtung SR.In the variants shown, with respect to a given relative welding direction (feed direction) SR two leading partial beams 20b , 20c and a trailing partial beam 20a used. The leading partial beams 20b , 20c are with respect to a transverse direction QR arranged in a straight line; the transverse direction QR runs perpendicular to the welding direction SR .

Typischerweise werden alle Teilstrahlen 20a, 20b, 20c aus demselben Eingangslaserstrahl erzeugt, der durch Passieren einer Multiclad-Faser ein besonderes Strahlprofil erhalten hat; dieses Strahlprofil weisen dann entsprechend auch alle Teilstrahlen 20a, 20b, 20c auf. Das Strahlprofil umfasst hier jeweils eine Kernzone 50, innerhalb der eine im Wesentlichen konstante Leistungsdichte LDK („Intensität“) von Laserstrahlung vorliegt, und eine Ringzone 51, in der ebenfalls eine im Wesentlichen konstante Leistungsdichte LDR von Laserstrahlung vorliegt; in anderen Varianten können noch weitere Ringzonen vorgesehen sein.Typically all partial beams 20a , 20b , 20c generated from the same input laser beam that has received a special beam profile by passing through a multiclad fiber; this beam profile then also have all partial beams accordingly 20a , 20b , 20c on. The beam profile here includes a core zone 50 , within which there is an essentially constant power density LDK (“intensity”) of laser radiation, and a ring zone 51 , in which there is also an essentially constant power density LDR of laser radiation; in other variants, further ring zones can be provided.

Die Teilstrahlen 20a, 20b, 20c durchlaufen nach der Strahlteiler-Anordnung grundsätzlich dieselben optischen Elemente (insbesondere die Fokussierungsoptik), so dass die Teilstrahlen 20a, 20b, 20c am Werkstück eine gleiche Größe aufweisen. Am Werkstück (bzw. an der Oberseite des Werkstücks) können die Durchmesser DK der Kernzone 50 und DR der Ringzone 51 gemessen werden. Meist liegt DK zwischen 200 µm und 600 µm, oft um 300 µm. Weiterhin liegt meist DR zwischen 600 µm und 1800 µm, oft um 700 µm.The partial beams 20a , 20b , 20c basically pass through the same optical elements (in particular the focusing optics) after the beam splitter arrangement, so that the partial beams 20a , 20b , 20c have the same size on the workpiece. On the workpiece (or on the top of the workpiece), the diameter DK the core zone 50 and DR the ring zone 51 be measured. Mostly lies DK between 200 µm and 600 µm, often around 300 µm. Furthermore lies mostly DR between 600 µm and 1800 µm, often around 700 µm.

Mittels einer ersten Einstellvorrichtung (vgl. 1) kann für alle Teilstrahlen 20a-20c Laserleistung jeweils zwischen der Kernzone 50 und der Ringzone 51 umverteilt werden; die über die Fläche der Kernzone 50 integrierte Laserleistung ILK („integrierte Intensität“) ist dabei größer als die über die Fläche der Ringzone 51 integrierte Laserleistung ILR, meist gilt ILK:ILR≥60:40 oder sogar ILK:ILR≥70:30. Für das Verhältnis DR/DK gilt meist 2≤DR/DK≤5, meist mit 3≤DR/DK≤4.By means of a first adjustment device (cf. 1 ) can be used for all partial beams 20a-20c Laser power between the core zone 50 and the ring zone 51 be redistributed; those over the area of the core zone 50 integrated laser power ILK ("Integrated intensity") is greater than that over the area the ring zone 51 integrated laser power ILR , usually applies ILK : ILR≥60: 40 or even ILK : ILR≥70: 30. For the relationship DR / DK usually 2≤DR / DK≤5, mostly with 3≤DR / DK≤4.

Mittels der zweiten Einstellvorrichtung (vgl. 1) kann Laserleistung zwischen der Gesamtheit der vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c einerseits und dem nachlaufenden Teilstrahl 20a andererseits umverteilt werden; die über die Fläche aller vorauslaufenden Teilstrahlen 20ba, 20c integrierte Laserleistung VT und die über die Fläche des nachlaufenden Teilstrahls 20a integrierte Laserleistung NT ist typischerweise näherungsweise gleich groß; meist gilt VT:NT≤60:40 und VT:NT≥40:60.By means of the second adjustment device (cf. 1 ) can laser power between the totality of the leading partial beams 20b , 20c on the one hand and the trailing partial beam 20a on the other hand be redistributed; the laser power VT integrated over the area of all leading partial beams 20ba, 20c and that over the area of the trailing partial beam 20a integrated laser power NT is typically approximately the same size; usually the following applies: VT: NT≤60: 40 and VT: NT≥40: 60.

Mit den vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c wird das Werkstück von der Oberseite aus aufgeschmolzen, wobei der durch die vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c erzeugte Schmelzbadbereich nicht bis zur Unterseite des Werkstücks reicht („Einschweißung“). Mit dem nachlaufenden Teilstrahl wird ein Schmelzbadbereich erzeugt, der bis zur Unterseite des Werkstücks reicht („Durchschweißung“). Durch die Kombination der vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c mit dem nachlaufenden Teilstrahl 20a kann eine qualitativ besonders hochwertige, insbesondere mechanisch hoch feste, wellenarme und kerbenarme Schweißnaht bei nur geringer Spritzerbildung während des Schweißprozesses an der Oberseite und der Unterseite des Werkstücks erhalten werden. Dabei kann der Schweißprozess über die Einstellung der Leistungsverteilung optimiert werden.With the leading partial beams 20b , 20c the workpiece is melted from the top, with the partial beams running in front 20b , 20c The weld pool area generated does not extend to the underside of the workpiece ("weld-in"). With the trailing partial jet, a weld pool area is created that extends to the underside of the workpiece ("penetration"). By combining the leading partial beams 20b , 20c with the trailing partial beam 20a it is possible to obtain a particularly high quality, in particular mechanically very strong, low-wave and low-notch weld seam with only little spatter formation during the welding process on the upper side and the lower side of the workpiece. The welding process can be optimized by adjusting the power distribution.

Die 4 zeigt eine Variante, in der die beiden vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c nicht miteinander überlappen, und weiterhin auch die vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c nicht mit dem nachlaufenden Teilstrahl 20a überlappen. Man beachte aber, dass hier in Schweißrichtung SR die Ringzone 51 des nahlaufenden Teilstrahls 20a bezüglich der Schweißrichtung SR bis zwischen die Ringzonen 51 der vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c ausgreift.The 4th shows a variant in which the two leading partial beams 20b , 20c do not overlap with each other, and furthermore also the leading partial beams 20b , 20c not with the trailing partial beam 20a overlap. Note, however, that here in the welding direction SR the ring zone 51 of the approaching partial beam 20a regarding the welding direction SR up between the ring zones 51 of the leading partial beams 20b , 20c reaches out.

Bei dieser Variante wird die Addition von Laserleistung verschiedener Teilstrahlen vermieden. Dies kann helfen, die Schmelzbaddynamik gering zu halten, und insbesondere eine Spritzerbildung vor allem an der Oberseite des Werkstücks zu vermeiden. Diese Variante wird oft bei geringeren Werkstückdicken bevorzugt, beispielsweise zwischen 1 mm und 2,5 mm Werkstückdicke.In this variant, the addition of laser power from different partial beams is avoided. This can help to keep the melt pool dynamics low and, in particular, to avoid spatter formation, especially on the upper side of the workpiece. This variant is often preferred for smaller workpiece thicknesses, for example between 1 mm and 2.5 mm workpiece thickness.

Die 5 zeigt eine Variante, bei der die vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c wiederum nicht überlappen. Die vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c überlappen hier aber in den Überlappungszonen 52 mit dem nachlaufenden Teilstrahl 20a im Bereich der Ringzonen 51; die Zentren der Teilstrahlen 20a, 20b und 20a, 20c sind aber so weit voneinander beabstandet, dass jeweils zwischen der Überlappungszone 52 und den beiden Kernzonen 50 der Teilstrahlen 20a, 20b und 20a, 20c noch Restbereiche 55 von nicht überlappter Ringzone 51 verbleiben.The 5 shows a variant in which the leading partial beams 20b , 20c again do not overlap. The leading partial beams 20b , 20c but overlap here in the overlap zones 52 with the trailing partial beam 20a in the area of the ring zones 51 ; the centers of the partial rays 20a , 20b and 20a , 20c but are so far apart that each between the overlap zone 52 and the two core zones 50 of the partial beams 20a , 20b and 20a , 20c still remaining areas 55 of non-overlapped ring zone 51 remain.

In dieser Variante wird durch die Gesamtheit der Teilstrahlen eine zusammenhängende, von Laserstrahlung beleuchtete Fläche gebildet. Dies kann dazu beitragen, Temperaturgradienten im Schmelzbad zu reduzieren, und die Welligkeit der erhaltenen Schweißnaht oder auch Kerbenbildung zu reduzieren. Diese Variante wird oft bei mittleren Werkstückdicken bevorzugt, beispielsweise zwischen 2,5 mm und 3,2 mm Werkstückdicke.In this variant, the totality of the partial beams forms a coherent area illuminated by laser radiation. This can help to reduce temperature gradients in the weld pool and to reduce the waviness of the weld seam obtained or the formation of notches. This variant is often preferred for medium workpiece thicknesses, for example between 2.5 mm and 3.2 mm workpiece thickness.

Die 6 zeigt eine Variante, bei der die vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c in Querrichtung QR im Bereich der Ringzonen 51 überlappen, nicht aber bezüglich der Kernzonen 50, vgl. die Überlappungszone 53. In der gezeigten Variante reicht die Überlappungszone 53 aber jeweils bis an die Kernzonen 50 berührend heran. Weiterhin überlappen die vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c mit dem nachlaufenden Teilstrahl 20a im Bereich der Ringzonen 51. Dadurch werden Überlappungszonen 52 der Teilstrahlen 20a, 20b und 20a, 20c erhalten, die jedoch hier nicht bis an die Kernzonen 51 heranreichen; zudem besteht in der Überlappungszone 54 hier ein Überlapp der Ringzonen 51 aller drei Teilstrahlen 20a, 20b, 20c.The 6th shows a variant in which the leading partial beams 20b , 20c in the transverse direction QR in the area of the ring zones 51 overlap, but not with respect to the core zones 50 , see the overlap zone 53 . In the variant shown, the overlap zone is sufficient 53 but each to the core zones 50 touching. Furthermore, the leading partial beams overlap 20b , 20c with the trailing partial beam 20a in the area of the ring zones 51 . This creates areas of overlap 52 of the partial beams 20a , 20b and 20a , 20c preserved, but not up to the core zones here 51 approach; also exists in the overlap zone 54 here an overlap of the ring zones 51 of all three partial beams 20a , 20b , 20c .

In dieser Variante kann durch Addition der Laserleistung von zwei Teilstrahlen über vergleichsweise großen Flächen und im Überlappungsbereich 54 sogar von drei Teilstrahlen eine lokal vergrößerte Leistungsdichte der Laserstrahlung erreicht werden. Dadurch kann eine größere Penetration in das Werkstück hinein erreicht werden, insbesondere im Überlappungsbereich der beiden vorauslaufenden Teilstrahlen. Dadurch wird ein Durchschweißen mit dem nachlaufenden Teilstrahl erleichtert und insbesondere auch bei höheren Schweißgeschwindigkeiten und/oder größerer Werkstückdicke zugänglich. Diese Variante wird oft bei größeren Werkstückdicken bevorzugt, beispielsweise zwischen 3,2 mm und 4 mm Werkstückdicke.In this variant, by adding the laser power of two partial beams over comparatively large areas and in the overlapping area 54 A locally increased power density of the laser radiation can even be achieved by three partial beams. As a result, greater penetration into the workpiece can be achieved, in particular in the overlap area of the two leading partial beams. This facilitates welding through with the trailing partial beam and, in particular, makes it accessible even at higher welding speeds and / or with a greater workpiece thickness. This variant is often preferred for larger workpiece thicknesses, for example between 3.2 mm and 4 mm workpiece thickness.

Die 7 illustriert beispielhaft das Intensitätsprofil 60 eines vorauslaufenden Teilstrahls, der im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem Werkstück angewandt werden kann. Ein entsprechendes Intensitätsprofil ist in der Regel auch beim nachlaufenden Teilstrahl auf dem Werkstück gegeben. Aufgetragen nach oben ist die Intensität I (Laserleistung pro Fläche) als Funktion des Orts x, wobei die x-Achse durch das Zentrum des Laserstrahls (bei x=0) verläuft.The 7th illustrates the intensity profile as an example 60 of a leading partial beam which can be applied to a workpiece as part of a method according to the invention. As a rule, a corresponding intensity profile is also given for the trailing partial beam on the workpiece. The intensity is applied upwards I. (Laser power per area) as a function of location x , where the x-axis runs through the center of the laser beam (at x = 0).

Das Intensitätsprofil 60 ist hier ein zweistufiges TopHat Strahlungsprofil; es kann durch Nutzung einer Doppelclad-Faser erzeugt werden (siehe dazu 8).The intensity profile 60 here is a two-stage TopHat radiation profile; it can through use a double clad fiber (see 8th ).

Das Intensitätsprofil 60 weist eine Kernzone 50 auf, innerhalb der eine hohe, im Wesentlichen konstante Intensität I1 von hier ca. 2,1 W/cm2 vorliegt; typischerweise schwankt die Intensität in der Kernzone 50 um maximal 40%, bevorzugt maximal 20%, um die mittlere Intensität der der Kernzone 50. Die Kernzone 50 wird umgeben von einer Ringzone 51, innerhalb der eine niedrigere, ebenfalls im Wesentlichen konstante Intensität I2 von hier ca. 0,4 W/cm2 vorliegt; typischerweise schwankt die Intensität in der Ringzone 51 um maximal 20% um die mittlere Intensität der Ringzone 51. In einem Übergangsbereich 61 von der Kernzone 50 zur Ringzone 51 fällt die Intensität stark ab; die dortige Intensität kann dabei auch bis unter I2 fallen. In einem weiteren Übergangsbereich 62 von der Ringzone 51 zur äußeren Umgebung fällt die Intensität ebenfalls stark ab, hier (in Ermangelung einer weiteren Kernzone) bis auf null. Die Übergangsbereiche 61, 62 machen typischerweise nur kleine Breiten B1, B2 im Vergleich zum Durchmesser DK der Kernzone 50 bzw. zur Breite BR der Ringzone 51 aus, beispielsweise mit B1≤0,3*\DK oder B1≤50,2*DK, bzw. mit B2≤0,3*BR oder B2≤0,2*BR.The intensity profile 60 has a core zone 50 within which there is a high, essentially constant intensity I1 of here approx. 2.1 W / cm 2 ; typically the intensity fluctuates in the core zone 50 by a maximum of 40%, preferably a maximum of 20%, around the mean intensity of the core zone 50 . The core zone 50 is surrounded by a ring zone 51 , within which there is a lower, likewise essentially constant intensity I2 of here approx. 0.4 W / cm 2 ; typically the intensity fluctuates in the ring zone 51 by a maximum of 20% around the mean intensity of the ring zone 51 . In a transition area 61 from the core zone 50 to the ring zone 51 the intensity drops sharply; the intensity there can also drop below I2. In another transition area 62 from the ring zone 51 towards the external environment the intensity also drops sharply, here (in the absence of another core zone) to zero. The transition areas 61 , 62 typically make only small widths B1, B2 compared to the diameter DK the core zone 50 or to the width BR of the ring zone 51 for example with B1≤0.3 * \ DK or B1≤50.2 * DK, or with B2≤0.3 * BR or B2≤0.2 * BR.

Die 8 illustriert in einem Schemadiagramm beispielhaft den Aufbau einer Multiclad-Faser 8 im Bereich von Kernfaser 9 und Ringfaser 10 („Doppelclad-Faser“ oder 2in1-Faser) für die Erfindung; man beachte, dass alternativ auch eine Multiclad-Faser mit noch mehr Ringfasern eingesetzt werden können. Nach rechts ist der Ort x im Querschnitt der Multiclad-Faser 8 aufgetragen, und nach oben die Brechzahl n (für die vom Laser verwendete Wellenlänge); bei x=0 befindet sich das Zentrum der Multiclad-Faser 8.The 8th illustrates an example of the structure of a multiclad fiber in a schematic diagram 8th in the area of core fiber 9 and ring fiber 10 ("Double clad fiber" or 2in1 fiber) for the invention; Note that a multiclad fiber with even more ring fibers can be used as an alternative. To the right is the place x in the cross section of the Multiclad fiber 8th applied, and upwards the refractive index n (for the wavelength used by the laser); at x = 0 is the center of the multiclad fiber 8th .

Innerhalb der Kernfaser 9 und innerhalb der Ringfaser 10 ist ein Lichtleiter-Material mit einer hohen, hier einheitlichen Brechzahl nKR angeordnet. Zwischen der Kernfaser 9 und der Ringfaser 10 ist ein erster Mantel („cladding“) 70 aus einem ersten Mantelmaterial mit einer Brechzahl nM1 angeordnet. Dabei ist nM1 deutlich kleiner als nKR; hierdurch wird eine Totalreflektion der Laserstrahlung, die in die Kernfaser 9 und die Ringfaser 10 eingekoppelt ist, am ersten Mantel 70 erreicht. Um die Ringfaser 10 herum ist ein zweiter Mantel („cladding“) 71 aus einem zweiten Mantelmaterial mit einer Brechzahl nM2 angeordnet. Dabei ist nM2 wiederum deutlich kleiner als nKR, um auch am zweiten Mantel 71 eine Totalreflektion der Laserstrahlung zu bewirken. In der gezeigten Variante ist zudem nM1 etwas geringer als nM2.Inside the core fiber 9 and within the ring fiber 10 a light guide material with a high, here uniform refractive index nKR is arranged. Between the core fiber 9 and the ring fiber 10 a first cladding 70 made of a first cladding material with a refractive index nM1 is arranged. NM1 is significantly smaller than nKR; This creates a total reflection of the laser radiation into the core fiber 9 and the ring fiber 10 is coupled, on the first coat 70 reached. To the ring fiber 10 A second cladding 71 made of a second cladding material with a refractive index nM2 is arranged around it. In this case, nM2 is again significantly smaller than nKR in order to also apply to the second coat 71 to cause a total reflection of the laser radiation. In the variant shown, nM1 is also slightly less than nM2.

In der gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der (Außen-)Radius der Kernfaser 9 ca. 50 µm, und der Außenradius der Ringfaser 10 ca. 300 µm.In the embodiment shown, the (outer) radius of the core fiber is 9 approx. 50 µm, and the outer radius of the ring fiber 10 approx. 300 µm.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
optische Apparaturoptical apparatus
22
Werkstückworkpiece
33
LaserstrahlquelleLaser beam source
44th
Laserstrahl (bereitgestellt von der Laserstrahlquelle)Laser beam (provided by the laser beam source)
55
Laserlaser
66th
Eingangslaserstrahl (bereitgestellt vom Laser)Input laser beam (provided by the laser)
77th
erstes Faserendefirst fiber end
88th
Multiclad-FaserMulticlad fiber
99
KernfaserCore fiber
1010
RingfaserRing fiber
1111
Keilwedge
1212th
abgelenkter Teil (des Eingangslaserstrahls)deflected part (of the input laser beam)
1313th
unabgelenkter Teil (des Eingangslaserstrahls)undeflected part (of the input laser beam)
1414th
FokussierlinseFocusing lens
1515th
zweites Faserendesecond fiber end
1616
KollimationsoptikCollimation optics
1717th
KollimationslinseCollimation lens
1818th
kollimierter Laserstrahlcollimated laser beam
1919th
Strahlteiler-EinrichtungBeam splitter device
20a20a
(nachlaufender) Teilstrahl(trailing) partial beam
20b20b
(vorauslaufender) Teilstrahl(leading) partial beam
20c20c
(vorauslaufender) Teilstrahl(leading) partial beam
2121
KeilplatteWedge plate
22a22a
AblenkungszoneDistraction zone
22b22b
AblenkungszoneDistraction zone
2323
FokussierungsoptikFocusing optics
2424
FokussierlinseFocusing lens
25a25a
StrahlfleckBeam spot
25b25b
StrahlfleckBeam spot
2626th
erste Einstellvorrichtungfirst adjustment device
2727
zweite Einstellvorrichtungsecond adjustment device
3131
Ablenkungszone (nachlaufender Teilstrahl)Deflection zone (trailing partial beam)
3232
Ablenkungszone (vorauslaufender Teilstrahl)Deflection zone (leading partial beam)
3333
Ablenkungszone (vorauslaufender Teilstrahl)Deflection zone (leading partial beam)
3434
Zentrum (Strahlteiler-Einrichtung)Center (beam splitter device)
3535
Grenzeborder
3636
Grenzeborder
3737
refraktives optisches Elementrefractive optical element
4040
diffraktives optisches Elementdiffractive optical element
4141
Beugungszone (nachlaufender Teilstrahl)Diffraction zone (trailing partial beam)
4242
Beugungszone (vorauslaufender Teilstrahl)Diffraction zone (leading partial beam)
4343
Beugungszone (vorauslaufender Teilstrahl)Diffraction zone (leading partial beam)
5050
KernzoneCore zone
5151
RingzoneRing zone
5252
Überlappungszone (vorauslaufender/nachlaufender Teilstrahl)Overlap zone (leading / trailing partial beam)
5353
Überlappungszone (vorauslaufender/vorauslaufender Teilstrahl)Overlap zone (leading / leading partial beam)
5454
Überlappungszone (drei Teilstrahlen)Overlap zone (three partial beams)
5555
Restbereich (der Ringzone ohne Überlappung)Residual area (of the ring zone without overlap)
6060
IntensitätsprofilIntensity profile
6161
ÜbergangsbereichTransition area
6262
ÜbergangsbereichTransition area
7070
erster Mantelfirst coat
7171
zweiter Mantelsecond coat
AA.
SchnittebeneCutting plane
aa
Schnittrichtung (im diffraktiven optischen Element)Section direction (in the diffractive optical element)
ARAR
Ausbreitungsrichtung/StrahlausbreitungsrichtungDirection of propagation / direction of beam propagation
DKDK
Durchmesser KernzoneCore zone diameter
DRDR
Durchmesser RingzoneDiameter of the ring zone
ERHE
EinstellrichtungDirection of adjustment
hH
lokale Höhelocal altitude
II.
Intensitätintensity
ILKILK
integrierte Laserleistung Kernzoneintegrated laser power core zone
ILRILR
integrierte Laserleistung Ringzoneintegrated laser power ring zone
nn
Brechzahl (Brechungsindex)Refractive index
QRQR
QuerrichtungTransverse direction
R1R1
erste Richtungfirst direction
R2R2
zweite Richtungsecond direction
SRSR
SchweißrichtungWelding direction
x, y, zx, y, z
OrtskoordinatenLocation coordinates

Claims (17)

Optische Apparatur (1) zum Laserschweißen eines Werkstücks (2), umfassend - eine Laserstrahlquelle (3) zum Bereitstellen eines Laserstrahls (4), - eine Kollimationsoptik (16) zum Kollimieren des bereitgestellten Laserstrahls (4) der Laserstrahlquelle (3), - eine Strahlteiler-Einrichtung (19) zum Aufteilen des kollimierten Laserstrahls (18) auf mehrere Teilstrahlen (20a-20c), wobei die Strahlteiler-Einrichtung (19) eine erste Einstellvorrichtung (26) aufweist, mit der die Aufteilung des kollimierten Laserstrahls (18) auf die mehreren Teilstrahlen (20a-20c) variabel einstellbar ist, und - eine Fokussierungsoptik (23) zum Fokussieren der Teilstrahlen (20a-20c) auf das zu schweißende Werkstück (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlquelle (3) eine Multiclad-Faser (8) mit einer Kernfaser (9) und zumindest einer Ringfaser (10) und eine zweite Einstellvorrichtung (27) umfasst, wobei mit der zweiten Einstellvorrichtung (27) ein Eingangslaserstrahl (6) an einem ersten Faserende (7) der Multiclad-Faser (8) auf die Kernfaser (9) und die zumindest eine Ringfaser (10) variabel aufteilbar ist, und wobei ein zweites Faserende (15) der Multiclad-Faser (8) den Laserstrahl (4) für die Kollimationsoptik (16) bereitstellt, und dass die Strahlteiler-Einrichtung (19) dazu ausgebildet ist, den kollimierten Laserstrahl (18) auf wenigstens zwei bezüglich einer vorgesehenen Schweißrichtung (SR) vorauslaufende Teilstrahlen (20b, 20c) und einen nachlaufenden Teilstrahl (20a) aufzuteilen, wobei die vorauslaufenden Teilstrahlen (20b, 20c) quer zur vorgesehenen Schweißrichtung (SR) aufgereiht sind, und wobei mit der ersten Einstellvorrichtung (26) eine Einstellung der Energieverteilung zwischen den wenigstens zwei vorauslaufenden Teilstrahlen (20b, 20c) einerseits und dem nachlaufenden Teilstrahl (20a) andererseits erfolgen kann.Optical apparatus (1) for laser welding a workpiece (2), comprising - a laser beam source (3) for providing a laser beam (4), - collimation optics (16) for collimating the laser beam (4) provided by the laser beam source (3), - a Beam splitter device (19) for splitting the collimated laser beam (18) into several partial beams (20a-20c), the beam splitter device (19) having a first setting device (26) with which the collimated laser beam (18) is split the multiple partial beams (20a-20c) is variably adjustable, and - a focusing optics (23) for focusing the partial beams (20a-20c) on the workpiece (2) to be welded, characterized in that the laser beam source (3) is a multiclad fiber (8) with a core fiber (9) and at least one ring fiber (10) and a second adjustment device (27), wherein with the second adjustment device (27) an input laser beam (6) at a first fiber end (7) d he multiclad fiber (8) can be variably divided between the core fiber (9) and the at least one ring fiber (10), and a second fiber end (15) of the multiclad fiber (8) carries the laser beam (4) for the collimation optics (16 ) and that the beam splitter device (19) is designed to split the collimated laser beam (18) into at least two partial beams (20b, 20c) leading with respect to an intended welding direction (SR) and a trailing partial beam (20a), the leading partial beams (20b, 20c) are lined up transversely to the intended welding direction (SR), and the first setting device (26) is used to adjust the energy distribution between the at least two leading partial beams (20b, 20c) on the one hand and the trailing partial beam (20a) on the other can be done. Optische Apparatur (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlteiler-Einrichtung (19) für jeden Teilstrahl (20a-20c) eine Ablenkungszone (22a-22b; 31, 32, 33) ausbildet, und dass mit der ersten Einstellvorrichtung (26) die Strahlteiler-Einrichtung (19) in wenigstens einer Einstellrichtung (ER, R2) quer zu einer Strahlausbreitungsrichtung (AR) des kollimierten Laserstrahls (6) verfahrbar ist, wobei die Energieverteilung zwischen den Teilstrahlen (20a-20c) über den Überlapp des kollimierten Laserstrahls (18) mit den jeweiligen Ablenkungszonen (22a-22b; 31, 32, 33) eingestellt werden kann.Optical apparatus (1) according to Claim 1 , characterized in that the beam splitter device (19) forms a deflection zone (22a-22b; 31, 32, 33) for each partial beam (20a-20c), and that the beam splitter device (19 ) can be moved in at least one setting direction (ER, R2) transversely to a beam propagation direction (AR) of the collimated laser beam (6), the energy distribution between the partial beams (20a-20c) via the overlap of the collimated laser beam (18) with the respective Deflection zones (22a-22b; 31, 32, 33) can be set. Optische Apparatur (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkungszonen (22a-22b; 31, 32, 33) für die Teilstrahlen (20-20c) um ein gemeinsames Zentrum (34) angeordnet sind,Optical apparatus (1) according to Claim 2 , characterized in that the deflection zones (22a-22b; 31, 32, 33) for the partial beams (20-20c) are arranged around a common center (34), Optische Apparatur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ablenkungszone (31) für den nachlaufenden Teilstrahl (20a) ein Winkelintervall von 180° um das gemeinsame Zentrum (34) einnimmt, und zwei Ablenkungszonen (32, 33) für genau zwei vorauslaufende Teilstrahlen (20b, 20c) jeweils 90° um das gemeinsame Zentrum (34) einnehmen, und die Einstellrichtung (ER) entlang einer Grenze (35) der zwei Ablenkungszonen (32, 33) für die zwei vorauslaufenden Teilstrahlen (20b, 20c) verläuft.Optical apparatus according to Claim 3 , characterized in that a deflection zone (31) for the trailing partial beam (20a) occupies an angular interval of 180 ° around the common center (34), and two deflection zones (32, 33) for exactly two leading partial beams (20b, 20c) each 90 ° around the common center (34), and the adjustment direction (ER) runs along a border (35) of the two deflection zones (32, 33) for the two leading partial beams (20b, 20c). Optische Apparatur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlteiler-Einrichtung (19) mit einem refraktiven optischen Element (37) ausgebildet ist.Optical apparatus (1) according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the beam splitter device (19) is designed with a refractive optical element (37). Optische Apparatur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlteiler-Einrichtung (19) eine Keilplatte (21) ausbildet, die mehrere Ablenkungszonen (22a-22b; 31, 32, 33) aufweist, die gegenüber einer Strahlausbreitungsrichtung (AR) des kollimierten Laserstrahls (18) eine Neigung ausbilden und die bezüglich der Strahlausbreitungsrichtung (AR) eine unterschiedliche Orientierung aufweisen.Optical apparatus according to Claim 5 , characterized in that the beam splitter device (19) forms a wedge plate (21) which has several deflection zones (22a-22b; 31, 32, 33) which are inclined with respect to a beam propagation direction (AR) of the collimated laser beam (18) and which have a different orientation with respect to the direction of beam propagation (AR). Optische Apparatur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlteiler-Einrichtung (19) mit einem diffraktiven optischen Element (40) ausgebildet ist.Optical apparatus (1) according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the beam splitter device (19) is formed with a diffractive optical element (40). Optische Apparatur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlteiler-Einrichtung (19) mehrere Beugungszonen (41, 42, 43) aufweist, die Sägezahngitter ausbilden, wobei die Sägezahngitter eine unterschiedliche Orientierung bezüglich einer Strahlausbreitungsrichtung (AR) des kollimierten Laserstrahls (18) aufweisen und/oder einen unterschiedlichen Aufbau aufweisen.Optical apparatus according to Claim 7 , characterized in that the beam splitter device (19) has several diffraction zones (41, 42, 43) which form sawtooth grids, the sawtooth grids having a different orientation with respect to a beam propagation direction (AR) of the collimated laser beam (18) and / or a have different structure. Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstücks (2), wobei ein Werkstück (2) mittels mehrerer Teilstrahlen (20a-20c) entlang einer Schweißrichtung (SR) geschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (2) mit wenigstens zwei bezüglich der Schweißrichtung (SR) vorauslaufenden Teilstrahlen (20b, 20c) und einem nachlaufenden Teilstrahl (20a) geschweißt wird, wobei die vorauslaufenden Teilstrahlen (20b, 20c) jeweils ein Strahlprofil mit einer Kernzone (50) und wenigstens einer Ringzone (51) aufweisen, die um die Kernzone (50) liegt, wobei die vorauslaufenden Teilstrahlen (20b-20c) quer zur Schweißrichtung (SR) aufgereiht sind, und wobei bei den vorauslaufenden Teilstrahlen (20b-20c) eine integrierte Laserleistung (ILK) in der jeweiligen Kernzone (50) größer ist als eine integrierte Laserleistung (ILR) in der jeweiligen wenigstens einen Ringzone (51), und dass die vorauslaufenden Teilstrahlen (20b-20c) am Werkstück (2) eine Einschweißung erzeugen, und der nachlaufende Teilstrahl (20a) eine Durchschweißung.Method for laser welding a workpiece (2), wherein a workpiece (2) is welded by means of several partial beams (20a-20c) along one welding direction (SR), characterized in that the workpiece (2) is welded with at least two with respect to the welding direction (SR) leading partial beams (20b, 20c) and a trailing partial beam (20a) is welded, the leading partial beams (20b, 20c) each having a beam profile with a core zone (50) and at least one ring zone (51) surrounding the core zone (50 ), whereby the leading partial beams (20b-20c) are lined up transversely to the welding direction (SR), and with the leading partial beams (20b-20c) an integrated laser power (ILK) in the respective core zone (50) is greater than an integrated one Laser power (ILR) in the respective at least one ring zone (51), and that the leading partial beams (20b-20c) produce a weld on the workpiece (2), and the trailing partial beam ( 20a) a weld through. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auch der nachlaufende Teilstrahl (20a) ein Strahlprofil mit einer Kernzone (50) und wenigstens einer Ringzone (51) aufweist, die um die Kernzone (50) liegt.Procedure according to Claim 9 , characterized in that the trailing partial beam (20a) also has a beam profile with a core zone (50) and at least one ring zone (51) which lies around the core zone (50). Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eingangslaserstrahl (6) in ein erstes Faserende (7) einer Multiclad-Faser (8) mit einer Kernfaser (9) und wenigstens einer Ringfaser (10) eingespeist wird, wodurch an einem zweiten Faserende (15) der Multiclad-Faser (8) ein Laserstrahl (4) zur Verfügung gestellt wird, aus dem mit einer Kollimationsoptik (16) ein kollimierter Laserstrahl (18) erzeugt wird, dass mittels einer Strahlteiler-Einrichtung (19) aus dem kollimierten Laserstrahl (18) die wenigstens zwei vorauslaufenden Teilstrahlen (20b, 20c) und der nachlaufende Teilstrahl (20a) erzeugt werden, und dass mittels einer Fokussierungsoptik (23) die Teilstrahlen (20a-20c) auf das Werkstück (2) fokussiert werden.Procedure according to Claim 10 , characterized in that an input laser beam (6) is fed into a first fiber end (7) of a multiclad fiber (8) with a core fiber (9) and at least one ring fiber (10), whereby the multiclad at a second fiber end (15) -Fiber (8) a laser beam (4) is made available, from which a collimated laser beam (18) is generated with collimating optics (16) that by means of a beam splitter device (19) from the collimated laser beam (18) the at least two leading partial beams (20b, 20c) and the trailing partial beam (20a) are generated, and that the partial beams (20a-20c) are focused on the workpiece (2) by means of focusing optics (23). Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass am Werkstück (2) die Ringzonen (51) der vorauslaufenden Teilstrahlen (20b, 20c) jeweils mit der Ringzone (51) des nachlaufenden Teilstrahls (20a) überlappen, nicht jedoch mit der Kernzone (50) des nachlaufenden Teilstrahls (20a).Method according to one of the Claims 10 or 11 , characterized in that on the workpiece (2) the annular zones (51) of the leading partial beams (20b, 20c) each overlap with the annular zone (51) of the trailing partial beam (20a), but not with the core zone (50) of the trailing partial beam ( 20a). Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass am Werkstück (2) die Ringzonen (51) der vorauslaufenden Teilstrahlen (20b, 20c) in der Richtung (QR) quer zur Schweißrichtung (SR) zwischen den Kernzonen (50) überlappen.Method according to one of the Claims 9 to 12th , characterized in that on the workpiece (2) the ring zones (51) of the leading partial beams (20b, 20c) overlap in the direction (QR) transverse to the welding direction (SR) between the core zones (50). Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlappung der Ringzonen (51) der vorauslaufenden Teilstrahlen (20b, 20c) so eingerichtet ist, dass die Ringzone (51) des jeweils einen vorauslaufenden Teilstrahls (20b, 20c) im Wesentlichen bis an die Kernzone (50) des jeweils anderen vorauslaufenden Teilstrahls (20b, 20c) reicht, nicht jedoch mit der Kernzone (50) des jeweils anderen vorauslaufenden Teilstrahls (20b, 20c) überlappt.Procedure according to Claim 13 , characterized in that the overlap of the ring zones (51) of the leading partial beams (20b, 20c) is set up in such a way that the ring zone (51) of the respective leading partial beam (20b, 20c) essentially extends to the core zone (50) of the each other leading partial beam (20b, 20c) is sufficient, however, it does not overlap with the core zone (50) of the respective other leading partial beam (20b, 20c). Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass am Werkstück (2) für einen Durchmesser DK einer jeweiligen Kernzone (50) und einen Durchmesser DR einer jeweiligen Ringzone (51) gilt: 2*DK ≤ DR ≤ 5*DK.Method according to one of the Claims 9 to 14th , characterized in that the following applies on the workpiece (2) for a diameter DK of a respective core zone (50) and a diameter DR of a respective annular zone (51): 2 * DK DR 5 * DK. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass am Werkstück (2) für einen Durchmesser DK einer jeweiligen Kernzone (50) und einen Durchmesser DR einer jeweiligen Ringzone (51) gilt: 200µm ≤ DK ≤ 600µm und 600µm ≤ DR ≤ 1800 µm.Method according to one of the Claims 9 to 15th , characterized in that the following applies on the workpiece (2) for a diameter DK of a respective core zone (50) and a diameter DR of a respective annular zone (51): 200 µm DK 600 µm and 600 µm DR 1800 µm. Verwendung einer optischen Apparatur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16.Use of an optical apparatus (1) according to one of the Claims 1 to 8th in a method according to one of the Claims 9 to 16 .
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